SVILUPPO E TEST DI UNA RETE DI SENSORI IN TECNOLOGIA IEEE PER MONITORAGGIO INDUSTRIALE
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1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA DELL INFORMAZIONE TESI DI LAUREA SPECIALISTICA SVILUPPO E TEST DI UNA RETE DI SENSORI IN TECNOLOGIA IEEE PER MONITORAGGIO INDUSTRIALE RELATORE: Prof. Alessandro Sona LAUREANDO: Giovanni Gamba Padova, Ottobre 2006
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3 Indice Sommario 1 Introduzione 3 1 Retidisensoriwireless Gli elementi di una WSN Fault tolerance Scalabilità Costi produttivi Ambienti operativi Topologia di rete Requisiti hardware Canale radio Consumi WSN: scenari applicativi Applicazioni ambientali Applicazioni mediche Applicazioni militari Applicazioni domotiche Applicazioni commerciali (automotive) Applicazioni industriali Ambienti e vincoli Lo standard IEEE ZigBee e IEEE IEEE WPAN Componenti di una WPAN iii
4 2.2.2 Topologie di rete Livello fisico Energy Detection (ED) Link Quality Indication (LQI) Clear Channel Assessment (CCA) Formato della PPDU Livello MAC CSMA-CA MAC frame Indirizzamento Tmote Sky e TinyOS Tmote Sky Caratteristiche principali Descrizione dei componenti Il sistema operativo Sistemi operativi nelle WSN TinyOS: caratteristiche generali Il linguaggio nesc Esempio: Blink Specifiche di progetto Le reti in ambiente industriale Da wired a wireless Scopo della tesi La soluzione CreateNet Schema di progetto Il software: Factory Sniffer Problematiche iniziali Timer a 32 KHz Generazione degli allarmi Gli ACK in Boomerang Il formato dei pacchetti Scelte progettuali iv
5 5.3 Il codice Master Blocchi funzionali del Master Il codice Slave Blocchi funzionali dello Slave Il codice Java Classi Java L interfaccia grafica Formato dei dati salvati Test del sistema Condizioni ambientali Strumenti utilizzati Fattore correttivo sui parametri Incertezza sulle misure temporali Misure software Misure mediante oscilloscopio Prestazioni del sistema sotto test Valutazione del tempo di ciclo minimo Aleatorietà del tempo di ciclo Influenza degli allarmi sul polling Latenza degli allarmi Scalabilità della rete Immunità aidisturbi Immunità ai disturbi irradiati Immunità ai disturbi in banda Test secondari A Standard IEEE : livello fisico 121 A.1 Modulazione A.2 Schema di trasmissione A.3 Impulso fondamentale e spettro B Timer a 32 Khz 127 v
6 C Generazione degli allarmi: il processo di Poisson 129 C.1 La teoria del processo di Poisson C.2 Implementazione pratica sui Motes D Statistica del polling 135 D.1 Somma di variabili aleatorie indipendenti Bibliografia 139 vi
7 Alla mia famiglia ALisa
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9 Sommario Oggetto di questa tesi è lo studio delle reti di sensori wireless, realtà semprepiùemergente e ubiqua nel mondo delle comunicazioni digitali. Oltre ad una fase di documentazione ad ampio raggio sulle reti di sensori, il secondo e più importante scopo della tesi è la realizzazione del software necessario ad un applicazione per il monitoraggio industriale. Lo studio è rivolto a tradurre in ambiente wireless una topologia di tipo Master- Slave già ben consolidata in ambiente cablato (polling ciclico e gestione aciclica di allarmi). Per questa implementazione si sono utilizzati dei sensori wireless reperibili in commercio (Moteiv Tmote Sky) basati sullo standard di comunicazione IEEE Nella seconda parte della tesi, dopo una prima fase di ricerca e di implementazione del software, si è testato il sistema per indagare le prestazioni ottenibili in termini di tempi di ciclo, latenze degli allarmi, perdita di pacchetti. Dai risultati ottenuti è emerso che la tecnologia scelta permette prestazioni interessanti anche senza l ausilio di protocolli complessi. Sicuramente i risultati ottenuti sono un estremo inferiore alle prestazioni, in quanto il preciso scopo della tesi era valutare la tecnologia IEEE senza l aggiunta di migliorie software allo standard. Il software prodotto costituisce il punto di partenza per studi più esaustivianchenel campo della compatibilità elettromagnetica con altri sistemi funzionanti nella banda ISM dei 2.4 Ghz.
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11 Introduzione Il mondo Wireless Da circa vent anni a questa parte il mondo delle telecomunicazioni è migrato a tutti gli effetti verso la tecnologia digitale. Grazie alla telefonia cellulare e in particolare allo standard GSM, gli studi iniziati nella prima metà del novecento da Shannon e altri pionieri hanno visto la prima grande applicazione di massa in ambito civile. Sebbene già in altri ambiti (ad esempio nella rete telefonica pubblica) la trasmissione per vianumericafossegià solidamente affermata, solo con l avvento dei cellulari èemerso l immenso potenziale della trasmissione wireless. Attualmente la rivoluzione digitale si sta dirigendo verso l ambito senza fili (o wireless, appunto). Si possono riassumere i vantaggi e i fattori trainanti delle comunicazioni wireless nei seguenti punti: Portabilità Forse l aspetto più tangibile a sostegno della tecnologia wireless èlasua versatilità e portabilità. La telefonia cellulare ha reso possibile le comunicazioni mobili, accorciando di fatto le distanze e i tempi di esecuzione di alcune opere. Oggi l avvento e lo sviluppo dei computer portatili e la necessità di una connessione ad Internet sempre disponibile hanno reso obsolete le vecchie LAN via cavo e hanno motivato lo studio di nuove soluzioni senza fili (WiFi ad esempio). Costi Esistono certamente mezzi trasmissivi con prestazioni molto superiori al canale radio in termini di banda e immunità alle interferenze (basti pensare alla fibra ottica), ma molto spesso i costi delle infrastrutture e della manutenzione dei canali cablati risultano essere insostenibili per alcune applicazioni. 3
12 4 Introduzione Semplicità e dinamicità Le tecnologie senza fili sono pensate per un bacino d utenze molto più ampio delle vecchie tecnologie via cavo. La stessa installazione ora non esiste più, la direzione verso cui si sta procedendo è quella di dispositivi intelligenti che si organizzino autonomamente o comunque non necessitino di un utente (o installatore) esperto (si pensi alla tecnologia Bluetooth o all uso degli stessi cellulari). All interno dell ampia famiglia delle comunicazioni wireless si stanno evolvendo molte ramificazioni diverse. Un ramo che risulta fondamentale è quello delle reti di sensori wireless. Con questo termine si intende una rete costituita di dispositivi relativamente semplici, muniti di svariati sensori (luce, temperatura, umidità etc.), di una unità di elaborazione e di una unità per la trasmissione radio in digitale. Praticamente in ogni università esistono gruppi di ricerca attivi in questo ambito e spesso lo scopo delle loro ricerche è mirato allo studio di reti si sensori Ad Hoc, ossia che non necessitino di una infrastruttura preconfigurata. Sostanzialmente si sviluppano protocolli per permettere ai nodi (i sensori wireless) di eleggere in maniera distribuita una gerarchia di gestione in modo da mantenere la connessione e le prestazioni della rete. Scopo della tesi In questa tesi viene affrontato un argomento atipico per l ambito delle reti di sensori. Utilizzando gli stessi supporti hardware e software tipici delle reti appena descritte si vuole implementare una struttura gerarchica in cui ci sia un nodo controllore (Master) che si occupa di interrogare ciclicamente dei nodi periferici (Slave) che a loro volta restituiscono alcune informazioni provenienti dai loro sensori. I nodi Slave possono anche inviare delle situazioni di allarme al master non appena esse si verificano, ossi in maniera aciclica. Quello che si vuole indagare sono le prestazioni ottenibili: tempi di ciclo (tempo trascorso tra un interrogazione e la successiva), latenza degli allarmi, influenza della statistica degli allarmi sul funzionamento della rete etc. Come si può vedere la topologia che si vuole studiare è decisamente statica, nel senso che Master e Slave hanno compiti ben distinti e soprattutto un software diverso. Vengono utilizzate varie metodologie di misura, sia software che hardware (ossia mediante l utilizzo di strumentazione di laboratorio) come verrà spiegato in dettaglio.
13 Introduzione 5 Contenuti della tesi Di seguito si anticipano i contenuti dei capitoli della tesi: Capitolo Primo Vengono introdotte più ampiamente le reti di sensori, gli scenari applicativi e i possibili sviluppi futuri di questa tecnologia. Capitolo secondo Si riassumono i punti salienti dello standard IEEE e dello standard Zigbee. Capitolo terzo Vengono analizzati le caratteristiche di rilievo dei nodi utilizzati e alcune specifiche tecniche del sistema operativo TinyOS. Capitolo quarto Viene descritto nel dettaglio lo schema logico alla base del progetto nonché lo scopo della tesi. Capitolo quinto Viene descritto il software prodotto attraverso le scelte implementative adottate. Capitolo sesto Vengono riportate le misurazioni, le simulazioni e gli scenari in cui si è scelto di testare il sistema, integrati con un analisi ragionata dei risultati.
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15 Capitolo 1 Reti di sensori wireless Il panorama delle tecnologie wireless diventa sempre più vasto, tanto che anche gli organi di standardizzazione (come l IEEE, Istitute of Electrical and Electronics Engineers) hanno suddiviso il ramo delle comunicazioni wireless in molteplici gruppi di studio. Prima di descriverli più in dettaglio è opportuno suddividere le reti di comunicazione (cablate e wireless)in base alla loro estensione. Come si può vedere in figura 1.1 esse possono essere denominate: BAN: Body Area Network, ossia reti limitate ad una decina di metri dal corpo dell utente. Sono essenzialmente concepite come reti wireless caratterizzate da bassissimi livelli di emissione di potenza (inferiori ad 1 mw). Si prevede per esse un futuro soprattutto nell ambito biomedicale (monitoraggio mediante sensori del battito cardiaco), in combinazione con dispositivi che possano interfacciarsi a reti più vaste (cellulari, ad esempio). PAN: Personal Area Network, reti personali. Anche in questo caso si parla quasi esclusivamente di reti wireless a bassa potenza (lo stesso ordine di grandezza delle BAN). Il raggio di copertura è di una decina di metri o poco più. Rientrano in queste reti le tecnologie (come Bluetooth) per collegare computer portatili, cellulari e PDA (Personal Digital Assistant). Fa parte di questa categoria anche l insieme di tecnologie che verranno descritte nel corso della tesi. LAN: Local Area Network Reti locali, inizialmente nate in ambito cablato (con Ethernet principalmente) e poi sviluppatesi anche in ambiente wireless. Forse la tecnologia più diffusa o conosciuta è WiFi (Wireless Fidelity). La copertura di queste reti è di qualche centinaio di metri e rispetto alle precedenti comincia a 7
16 8 Capitolo1.Retidisensoriwireless diventare molto importante la banda fornita. A questo livello si parla di connessioni Internet e di servizi di streaming audio o video. Le prestazioni fornite dalla tecnologia wireless sono spinte al limite. MAN: Metropolitan Area Network Si parla quasi esclusivamente di reti cablate, per il trasporto di grandi flussi di dati. Come suggerito dal nome si tratta di reti a livello cittadino con estensione di qualche kilometro. WAN: Wide Area Network Macro reti a livello mondiale, via cavo o su link satellitari. Rappresentano il cuore della rete Internet. Figura 1.1: Suddivisione delle reti in base all estensione geografica (i valori sono puramente indicativi). Questa suddivisione risulta necessaria per capire l ambito in cui si inseriscono le reti di sensori wireless (WSN, Wireless Sensor Networks). Il raggio d azione dei dispositivi utilizzati in una rete di questo tipo raggiunge al massimo qualche decina di metri e fornisce prestazioni limitate in termini di banda e capacità di elaborazione. Si possono quindi circoscrivere tutte le reti di sensori alle reti di tipo PAN.
17 1.1 Gli elementi di una WSN Gli elementi di una WSN Quando si utilizza la parola sensore si vuole indicare un dispositivo che riesca a tradurre una grandezza fisica (luminosità, temperatura etc.) in una grandezza elettrica corrispondente (corrente o tensione). Grazie all evoluzione dell elettronica, i segnali elettrici possono essere acquisiti ed elaborati, in particolar modo sotto forma digitale, per poter fornire delle reazioni opportune agli eventi acquisiti (la sensoristica èintimamente legata al controllo automatico). I sensori di tipo classico sono dei trasduttori che si limitano a tradurre un segnale. Le reti di sensori sono invece costituite da nodi (a volte impropriamente chiamati sensori) intelligenti che possono essere programmati per svolgere delle funzioni anche complesse. Le reti di sensori wireless sono reti di tipo data-centric, in cui il fine principale è la corretta rilevazione dei dati presenti nell ambiente operativo. Spesso questi dati vengono aggregati a seconda della rete di provenienza, cosicché un evento percepito da più sensori vicini viene visto come unico. Il principio è simile alla percezione dolorosa del sistema nervoso umano: i recettori del dolore attivati da un eccessivo calore (un ustione localizzata) sono molti, ma a livello centrale i vari stimoli vengono fusi per portare al riconoscimento di una condizione di pericolo nella zona interessata e per reagire di conseguenza. Lo stack protocollare di queste reti èpiù snello di quello tipico della rete internet: le WSN tipicamente utilizzano un software specifico e non sono pensate per un utilizzo generico (general-purpose), come invece accade per le reti Ad-Hoc (non infrastrutturate) composte da computer. La semplicità del software installato permette di raggiungere prestazioni più spinte e di interagire direttamente con i moduli hardware dei nodi. 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.
18 10 Capitolo 1. Reti di sensori wireless Fault tolerance I nodi sono intrinsecamente soggetti a guasto, a maggior ragione se utilizzati in ambienti ostili come deserti o campi di battaglia. Una rete WSN deve poter funzionare anche se l attività di alcuni sensori viene meno. La rete deve essere in grado di autoconfigurarsi e supplire alle perdite di nodi. Ovviamente i vincoli rispetto a questo parametro di guasto sono molto diversi in funzione dello scenario applicativo: se in campo è quello industriale o medico il guasto deve essere riparato obbligatoriamente, nel monitoraggio ambientale si possono tollerare dei ritardi o dei malfunzionamenti 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 si aspetta che ogni persona porti con se un numero elevato di smart sensor (sensori intelligenti) integrati certamente in cellulari e pda, ma anche più semplicemente nelle scarpe o negli occhiali Risulta quindi evidente che il cambiamento di posizione di una sola persona all interno di una stanza porta al cambiamento di posizione di molti nodi sensore. L utilizzo di molti nodi vicini l un l altro provoca potenziali interferenze ma per contro porge una via per lo sviluppo di protocolli cooperativi che portino al risparmio energetico e al miglioramento delle prestazioni globali (la rete diventa un organismo complesso in cui ogni nodo, se a conoscenza dei suoi vicini, può sfruttare dei canali di comunicazione con minor traffico o meno affetti da disturbi).
19 1.1 Gli elementi di una WSN Costi produttivi Uno dei vantaggi dell uso di reti di sensori wireless è la possibilità di utilizzare un numero molto elevato di nodi. Affinché questo diventi un vantaggio si deve garantire che il costo di ciascun dispositivo sia molto contenuto. 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 di costo inferiore al dollaro ma tuttora, se per esempio si considerano dispositivi Bluetooth, il costo del solo chip radio supera questo limite. 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 dicalcolo. Il progetto di uno sensore intelligente deve 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, come campi di battaglia o ambienti industriali caratterizzati da alte pressioni e/o alte temperature. Il progetto di un nodo quindi non può prescindere dal contesto all interno del quale dovrà essere utilizzato, in particolare si deve prevedere un package in grado di sopportare le condizioni di temperatura, pressione, vibrazione e accelerazione tipiche dell ambiente d impiego. Tutto ciò deve essere fatto alla luce di due parametri già indicati: la tolleranzaaiguastiedilcontenimentodeicosti 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 in termini di posizione reciproca dei diversi dispositivi (topologia fisica), mentre in un secondo momento si descriveranno le diverse tipologie di rete da un punto di vista funzionale, secondo le possibilità di comunicazione fra i diversi nodi (topologia logica). 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.
20 12 Capitolo 1. Reti di sensori wireless 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: questi dispositivi contribuiscono all evoluzione della topologia di rete. Infine, è opportuno ricordare che un altro vantaggio delle WSN è la scalabilità, raggiungibile con l aggiunta di nuovi dispositivi, con conseguente 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 (tutti i nodi hanno le stesse potenzialità) ed infine reti ad albero. Figura 1.2: Classificazione delle topologie di rete. In figura 1.2 sono schematizzate le strutture delle topologie di rete appena elencate. Stella Si individua un nodo centrale dotato di funzionalità di controllo. Viene definito coordinatore della rete o centro della rete a stella; tutti gli altri nodi fanno riferimento a questo nodo centrale. La comunicazione tra due nodi generici deve passare attraverso il centro stella. Questa topologia risulta essere la più semplice: consente l impiego di protocolli poco onerosi (da un punto di vista computazionale) e risulta utile nel caso in cui si debba progettare una rete con un nodo centrale senza limiti di alimentazione e più nodi secondari con ridotte risorse energetiche.
21 1.1 Gli elementi di una WSN 13 Il nodo centrale viene collegato ad un computer che fornisce l alimentazione (ad esempio mediante bus USB), mentre le diverse periferiche sono alimentate a batteria (o da celle solari). Generalmente il coordinatore delle reti a stella èingrado anche di funzionare da bridge verso altri sistemi di connessione: nell esempio appena fatto il coordinatore funge da bridge fra il bus USB e la rete LR-WPAN. Mesh (P2P) Nelle reti di tipo peer to peer o mesh il ruolo del coordinatore non è più essenziale in quanto ogni dispositivo è in grado di connettersi con tutti gli altri. Queste reti superano alcuni limiti delle reti a stella, realizzando 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. Albero Nella topologia ad albero diversi cluster (grappolo) costituiti da gruppi di nodi possono interconnettersi in modo simile all apparato fogliare di un albero. Ciascun cluster, infatti, è dotato di un nodo principale che rappresenta il punto di gestione del cluster stesso. Il vantaggio di questa topologia rispetto alle reti mesh è la riduzione dei percorsi di comunicazione possibili e ciò consentelosviluppodi sistemi di gestione meno complessi Requisiti hardware Solitamente ogni tipo di nodo wireless deve possedere questi sottosistemi: Sistema di sensori Insieme di alcuni sensori intesi come semplici trasduttori. Si possono accorpare in questo sistema i relativi convertitori analogico-digitale (ADC, Analog to Digital Converter) indispensabili per interfacciare il mondo analogico dei sensori con il mondo digitale della trasmissione numerica. Sistema di controllo Comprende i vari bus di comunicazione, le memorie (integrate, tipicamente Flash) e soprattutto il processore (solitamente a basso consumo energetico) che si occupa di gestire gli altri sottosistemi. Sistema di comunicazione Si intende un sistema di tipo wireless, ossia non cablato. Esistono varie opportunità di comunicazione senza fili: comunicazione ottica (tipicamente infrarosso), che necessita della Line Of Sight (LOS), ossia della visibilità ottica diretta tra trasmettitore e ricevitore, comunicazione audio (utilizzando solitamente ultrasuoni), mimando il mondo animale (pipistrelli, delfini, etc) e comunicazione radio.
22 14 Capitolo 1. Reti di sensori wireless Quest ultima è sicuramente la più versatile e diffusa perché non necessita di visibilità diretta e perché esistono trasmettitori e ricevitori molto efficienti anche dal punto di vista energetico. Sistema di alimentazione Parlando di nodi wireless, risulta evidente che l energia necessaria al loro funzionamento non può giungere via cavo, quindi ogni nodo deve avere una sua autonomia energetica (batterie) e gestirla in maniera accorta (si pensi a una rete di nodi dispersi in una foresta: non è possibile cambiare le batterie spesso). Ecco perché uno dei punti chiave dell elettronica e dei protocolli per WSN è il risparmio energetico e il basso consumo. Importanti sono anche le tecniche di energy scavenging ( spazzare energia ), che permettano di raccogliere energia dall ambiente per mezzo di celle fotovoltaiche o sistemi meccanici per lo sfruttamento dell energia cinetica Canale radio Le bande ISM (Industrial, Scientific and Medical) rappresentano una delle scelte migliori se si utilizza una comunicazione a radiofrequenza, visto che sono libere da obblighi di concessione in molti stati. Le frequenze ISM sono state regolamentate dagli standard ETSI EN , ETSI EN 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. 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: a causa di alcune limitazioni hardware in termini di efficienza delle antenne e limitazione dei consumi, negli ultimi anni si sta utilizzando sempre più la banda dei 2,4 GHz. Le bande ISM sono 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. D altro canto vi sono diverse limitazioni inerenti la potenza di uscita delle trasmissioni radio, dovute a ragioni legislative. Per minimizzare l inquinamento elettromagnetico le potenze tipicamente consentite all interno delle ISM coprono un range compreso fra gli 0 dbm ed i 20 dbm: la potenza limitata si traduce in coperture limitate del segnale.
23 1.1 Gli elementi di una WSN Consumi Come analizzato nel paragrafo dei requisiti hardware, ciascun nodo sensore deve impiegare delle piccole unità di potenza. Alcuni ambienti rendono la sostituzione delle unità di potenza irrealizzabile. In una rete multi-hop (multi-salto) ciascun nodo riveste il doppio ruolo di sorgente dell informazione e ripetitore dell informazione generata da altri nodi: questo 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, detti power-aware protocols (protocolli a conoscenza dei problemi di alimentazione), che consentano il risparmio energetico. Scopo principale di un sensore wireless è la misurazione di una grandezza fisica, l elaborazione dell informazione stessa ed infine la comunicazione dell informazione. Risulta quindi conveniente analizzare i consumi di un sensore wireless dividendoli in questi tre domini temporali. Il consumo durante l attività di trasduzione dipende in maniera sostanziale dal tipo di applicazione: la corretta rilevazione di una grandezza fisica dipende, oltre che dal tipo di grandezza 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, in quanto un nodo, per trasmettere l informazione, deve mantenere attivo l ascolto sul canale radio per verificare che l informazione sia stata effettivamente ricevuta dal destinatario. Questo comporta che per stimare i consumi dovuti ai moduli di comunicazione si devono valutare le fasi di trasmissione e ricezione, ma anche le fasi di accensione e spegnimento della radio. L elettronica impiegata all interno dei trasmettitori e ricevitori richiede infatti un tempo di assestamento iniziale variabile dovuto alla presenza di oscillatori interni, PLL (Phased Locked Loop), amplificatori di potenza ed altri componenti. Questi tempi di commutazione On/off dei transceiver, così comei tempi necessari alla commutazione fra le attività di ricezione e trasmissione, possono addirittura divenire la componente dominante dei consumi, nel caso di pacchetti di informazione molto piccoli.
24 16 Capitolo 1. Reti di sensori wireless 1.2 WSN: scenari applicativi Le reti di sensori si stanno diffondendo in maniera capillare e stanno diventando un ambito di studio molto promettente in quanto esistono molteplici campi di applicazione per queste tecnologie. Una prima suddivisione può essere fatta in base alla finalità della rete. Di seguito si riportano quattro macro-settori in cui è possibile dividere il mondo delle WSN. Monitoraggio Questo tipo di rete viene utilizzata per tracciare in maniera continuativa una certa grandezza. La sorgente da monitorare può essere un singolo sensore o una sottorete da cui proviene un aggregato di dati. Una rete di questo genere richiede un campionamento solitamente isocrono e fisso con un consumo energetico considerevole. Riconoscimento di eventi Un altro importante scenario applicativo risulta essere l event detection: la rete deve accorgersi di situazioni di allarme, ossia di quando una determinata grandezza esce dai livelli stabiliti. Questo monitoraggio èpo- tenzialmente meno pesante del precedente a livello energetico, in quanto il nodo entra in uno stato attivo solo in casi eccezionali. Classificazione di oggetti L obiettivo di queste reti è il riconoscimento di alcune grandezze tra un insieme di prototipi noti. Questo implica un carico computazionale superiore agli altri tipi di rete. Tracciamento di oggetti In questo caso la rete funge da sistema di sorveglianza, riconoscendo e stimando la posizione di alcuni oggetti in una determinata area geografica. Oltre a questa prima suddivisione si possono descrivere i vari scenari in cui le WSN sono presenti e in cui saranno indispensabili in un immediato futuro.
25 1.2 WSN: scenari applicativi Applicazioni ambientali Uno dei campi di maggior utilizzo delle WSN è il monitoraggio ambientale. Con l avanzare dell industria e degli agenti inquinanti diventa essenziale controllare aree geografiche molto estese, soprattutto a ridosso dei centri abitati, per valutare l impatto ambientale di alcune scelte umane. Un altro ambito d interesse è lo studio di zone pericolose, come vulcani o zone a rischio sismico (si veda [22]): in questo caso si può intendere quanto importante sia monitorare con l ausilio delle WSN delle aree senza alcun rischio per l uomo. Gli studi scientifici su flora e fauna si possono avvalere di una rete di monitoraggio ambientale: questo porta anche nell agricoltura un ulteriore rivoluzione tecnologica, permettendo di controllare un certo tipo di coltura e intervenire in tempo reale con trattamenti opportuni per debellare insetti o situazioni critiche. Potenzialmente la rete di sensori può essere dispersa sul suolo da un aereo e riuscire ad auto-configurarsi per trasmettere dati a un centro di controllo. In questo scenario il budget energetico è il vincolo principale poiché spesso non è possibile sostituire frequentemente le batterie. Proprio in questo ambito si stanno sviluppando le tecniche di energy scavenging per trarre dall ambiente la fonte di energia (celle fotovoltaiche tipicamente). I protocolli di gestione di una rete per monitoraggio ambientale non mirano a prestazioni eccelse in termini di traffico utile (throughput) e tempi di reazione, in quanto anche gli eventi più repentini (ad esempio sismici o tellurici) avvengono su scale di minuti od ore. La topologia che più si adatta a questi scopi è una rete distribuita di tipo Ad-Hoc, ossia senza infrastrutture prestabilite. Inoltre la connettività della rete deve essere di tipo magliata (mesh), permettendo più vie di comunicazione multi-hop (i nodi intermedi tra sorgente e destinazione fungono da ponte) e una certa ridondanza nella rete (l ambiente outdoor spesso presenta ostacoli quali rocce o montagne che impediscono la comunicazione diretta tra sorgente e destinazione). Nel monitoraggio di una determinata area geografica spesso perde di significato l indirizzo esatto della sorgente, perché i dati provenienti da una sottorete vengono aggregati, perdendo la necessità di conoscere la sorgente precisa.
26 18 Capitolo 1. Reti di sensori wireless Applicazioni mediche Una delle applicazioni più delicate è sicuramente il monitoraggio biomedicale. L utilizzo di WSN all interno di ospedali può essere un valido supporto per seguire costantemente alcuni parametri fisiologici dei pazienti e rendere più flessibili e portabili alcuni macchinari. Ma questo scenario è solo il primo passo verso una rete di sensori molto piccoli e distribuiti all interno dei tessuti che possano misurare la temperatura, la pressione sanguigna e molti altri parametri di rilievo. Le prime applicazioni in questo senso si hanno nei dispositivi di personal healthcare (per attività ginniche soprattutto), magari integrati in orologi da polso o bracciali appositi che rilevino il battito cardiaco o le calorie bruciate durante l attività Applicazioni militari Direttamente collegate alle applicazioni mediche sono quelle militari. Lo sviluppo di speciali tute (anche nell ambito astronautico) che integrino sensori di pressione e temperatura per verificare lo stato di salute dei militari è un ambito di ricerca molto attivo. Speciali nodi potrebbero riconoscere attacchi chimici o batteriologici e valutare lo stato di un intera area evitando di esporre vite umane a rischi inutili. Da notare che le tecnologie ora ampiamente utilizzate, quali la trasmissione a spettro espanso, sono nate in ambito militare per garantire robustezza all interferenza (jamming nemico) e una bassa probabilità di intercettazione (bassi livello di potenza e codici di spreading che rendono il segnale indecifrabile a chi non li conosca). La rete wireless, potenzialmente più esposta a attacchi, grazie alla ridondanza e ad una topologia di tipo mesh garantisce comunque la funzionalità anche nel caso che qualche nodo venga distrutto Applicazioni domotiche Tutti gli elettrodomestici più moderni hanno un elettronica molto evoluta e il futuro consiste nell interazione tra i vari elettrodomestici. L unità di controllo di questi dispositivi permette funzioni sempre più avanzate, aprendo uno scenario in cui i vari elettrodomestici possano collaborare autonomamente per gestire in maniera efficiente le faccende domestiche. La chiave per questo è la possibilità di comunicare: sicuramente la tecnologia dovrà essere di tipo wireless.
27 1.2 WSN: scenari applicativi 19 Un altra applicazione importante è la gestione del riscaldamento, della ventilazione e dell illuminazione. L uso di sensori wireless riduce i costi di installazione e rende molto meno invasiva la modifica di sistemi esistenti (si pensi alla necessità di forare le pareti: con la tecnologia wireless questo non èpiù necessario) Applicazioni commerciali (automotive) In questa categoria rientrano molti scenari diversi. Sicuramente alcuni fra i piùin- teressanti sono: ambiente automotive (utilizzo delle WSN su automobili), antifurto intelligenti e versatili, servizi all interno di musei o scuole (localizzazione di persone o oggetti). Nell ambito automobilistico si intende sia un monitoraggio del traffico sia strumenti di navigazione autonoma, anche se per questi ultimi il livello di affidabilità necessario è molto elevato, superiore a quello ottenibile attualmente Applicazioni industriali Un settore molto interessante per le WSN, in cui si colloca anche questa tesi, è l automazione industriale e il monitoraggio in ambiente industriale. Le reti utilizzate in questi ambienti sono relativamente statiche e gerarchiche, ma hanno dei vincoli di affidabilità e prestazioni molto più stringenti che in altri scenari. Gli utilizzi sono molteplici, ma tutti finalizzati al controllo dei processi produttivi. Spesso si intende realizzare una sottorete di monitoraggio wireless da interfacciare mediante opportuni gateway (ossia dei traduttori di protocolli) con bus di campo tipici degli ambienti industriali (ossia bus di tipo cablato) Ambienti e vincoli Ogni scenario descritto richiede vincoli specifici e diversificati. A volte, ad esempio nelle applicazioni commerciali o domotiche, il costo è un fattore chiave; altre, ad esempio nell ambito biomedicale o industriale conta molto la sicurezza e la robustezza. Nella tabella seguente vengono riassunti i vincoli in funzione del tipo di scenario (tabello tratta da [13]). Gli scenari sono divisi ulteriormente. Con auth. civile si intende l automazione civile, ossia aereoporti, ospedali (climatizzazione, qualità della rete elettrica e altri settori). Il contesto ambientale è diviso in un ambito agricolo-alimentare e in uno propriamente di monitoraggio ambientale.
28 20 Capitolo 1. Reti di sensori wireless Figura 1.3: Richieste in diversi scenari (da [13]). LEGENDA: - poco significativo, non vincolante, + importante, ++ molto importante.
29 Capitolo 2 Lo standard IEEE Il mondo delle reti di sensori wireless è molto vasto e sino ad ora molti gruppi di studio, universitari e commerciali, hanno cercato di forgiare nuovi standard. Sebbene esistano una miriade di tecnologie e proposte differenti, l attenzione inevitabilmente cade sugli standard più affermati. Una questione di primaria importanza è se si possano utilizzare per le WSN dei sistemi basati su IEEE (controparte commerciale Wi-Fi) o su IEEE (controparte commerciale Bluetooth). La struttura e filosofia di base di entrambe le soluzioni deve essere pesantemente modificata per adattarsi alle necessità delle WSN. Wi-Fi è stato creato come sostituto wireless delle LAN ed eredita in pieno l architettura e lo stack TCP/IP tipico di internet. È una tecnologia versatile, in quanto fornisce prestazioni elevate e una piattaforma aperta su cui installare degli applicativi arbitrari. Per contro non gestisce alcun tipo di risparmio energetico e si presenta come una soluzione pesante per una rete di sensori wireless. Si nota fin da subito che l utilizzo di tutto lo stack TCP/IP rallenta il sistema, in quanto già gli stessi header dei protocolli portano ad avere pacchetti molto grandi e politiche di gestione (e routing) complicate. Un discorso analogo e complementare può essere fatto per Bluetooth: questa tecnologia risulta più snella, ma ha il limite fondamentale della mancanza di risparmio energetico e soprattutto limita le sottoreti ad un massimo di 7 nodi, contravvenendo al requisito di scalabilità. In letteratura esistono studi su entrambi i sistemi applicati all ambito delle reti di sensori ([23, 24]),malaviapiù promettente appare l utilizzo di protocolli dedicati creati ex-novo per le esigenze delle WSN. 21
30 22 Capitolo 2. Lo standard IEEE Come in tutti gli altri ambiti delle comunicazioni digitali, anche in quello delle WSN ogni ente di standardizzazione internazionale propone i propri sistemi e protocolli. In questa tesi verrà analizzato lo standard creato da un sottogruppo dell IEEE (Istitute of Electrical and Electronics Engineers). Il gruppo dell IEEE si occupa delle WPAN (Wireless Personal Area Network), ossia delle reti personali wireless, con raggio di azione di una decina di metri. Il comitato per è a sua volta suddiviso in base al bit-rate e alle prestazioni dei dispositivi da progettare. Oltre all (cui afferisce ad esempio lo standard alla base di Bluetooth) e all , che si occupa di comunicazioni a impulsi o UWB (Ultra Wide Band) ad alti bit-rate, esiste il TG4 (o Task Group 4) che si occupa delle WPAN a basso bit-rate. Uno degli standard più promettenti e utilizzati è proprio l IEEE , approvato nel 2003 e quindi divenuto standard a tutti gli effetti. I nodi utilizzati in questo lavoro di tesi montano un chip radio che implementa parte di questo standard. Di seguito si descrive brevemente lo standard IEEE concentrando l attenzione solamente su alcuni aspetti di base rilevanti per la tesi. 2.1 ZigBee e IEEE La ZigBee Alliance (alleanza commerciale simile a Bluetooth) è nata come alleanza tra vari enti commerciali e accademici mirata allo sviluppo di uno stack di protocolli per automazione e applicazioni di controllo remoto. Dopo poco tempo anche un comitato dell IEEE, l , si è interessato a questi argomenti cosicché dalla loro unione è nato il prodotto commerciale ZigBee. Le finalità di questo prodotto possono così essere riassunte: Bassi bit-rate. Bassi consumi di energia. Bassi costi. Solitamente i due nomi vengono erroneamente utilizzati come sinonimi: infatti Zig- Bee e sono complementari. Analizzando lo stack ISO-OSI di questo sistema, IEEE si occupa di fornire i primi due livelli, fisico e accesso al mezzo (MAC: medium access control), mentre ZigBee specifica i livelli superiori, a partire dal livello di rete fino al livello di applicazione.
31 2.2 IEEE WPAN 23 I dispositivi ZigBee si inseriscono in un segmento di ricerca e di mercato diverso da Bluetooth. ZigBee è una tecnologia per reti wireless a basso bit-rate, potenzialmente molto estese e costituite da nodi che abbiano un autonomia energetica di mesi o anni. Le topologie di rete permesse sono molteplici e i dispositivi hanno un raggio di copertura di m (distanze maggiori vengono coperte mediante tecniche di multi-hop, saltando di nodo in nodo). I nodi utilizzati nella tesi implementano, mediante un chip radio, un sottoinsieme dello standard IEEE Verranno ora analizzati alcuni elementi salienti di questo standard. 2.2 IEEE WPAN Come già accennato, lo standard IEEE è stato designato per reti flessibili, di basso costo, bassi consumi energetici e bassi bit-rate. Viene utilizzato in dispositivi che non richiedono throughput (traffico utile trasmesso, al netto di header e ritrasmissioni) molto spinti e che non possono supportare i requisiti energetici di stack protocollari pesanti (come ad esempio TCP/IP) Componenti di una WPAN Un sistema di tipo ZigBee consiste di alcuni componenti. Esistono due tipi di dispositivi (denominati device in inglese): full-function device (FFD), dispositivi con funzionalità completa, e reduced-function device (RFD), con funzionalità ridotta. Ogni rete deve includere almeno un FFD operante come coordinatore della WPAN (Wireless Personal Area Network). I dispositivi FFD possono operare in tre modi: come coordinatori della PAN, come coordinatori semplici o come device normali. Gli RFD sono pensati per applicazioni molto semplici che non debbano spedire grandi quantità di dati. Un FFD può dialogare sia con gli RFD che con gli RFD, mentre un RFD può comunicare solo con un FFD.
32 24 Capitolo 2. Lo standard IEEE Topologie di rete Lo standard ZigBee (e di conseguenza IEEE ) supporta tre topologie di rete (figura 2.1): Stella In questa topologia tutti gli elementi della rete dipendono da un coordinatore e dialogano direttamente con esso. Spesso il coordinatore viene alimentato da rete elettrica mentre i gli altri dispositivi sono alimentati a batterie.un FFD viene eletto a coordinatore della rete e fornisce il controllo di quell insieme di dispositivi, rendendo la rete indipendente dalle altre potenzialmente esistenti. Ogni device vede solo il coordinatore e per dialogare con altri device deve passare attraverso di esso. Questa topologia è quella più vicina all applicazione che viene implementata in questa tesi. Peer-to-Peer (P2P) Anche in questo caso esiste un solo coordinatore, ma ogni dispositivo può comunicare con gli altri senza dover passare dal coordinatore: la rete assume una topologia magliata. Questo tipo di topologia è meno gerarchica e rigida e ben si adatta a situazioni autoconfiguranti o a reti Ad-Hoc. Questo tipo di rete permette anche la comunicazione multi-salto (multi-hop) e fornisce una maggiore affidabilità della rete mediante percorsi multipli tra sorgente e destinazione (ridondanza). Cluster-Tree In questa topologia ad albero, le foglie sono costituite da grappoli, ossia da sottoreti. Questa rete è un tipo particolare di rete P2P in cui alcuni dispositivi sono FFD e coordinano i singoli cluster (grappoli), assumendo il compito di cluster-head (CLH). I dispositivi RFD possono essere considerati come nodi figli che si agganciano ai CLH. Esiste un FFD che viene eletto a coordinatore globale della rete. Questa topologia è molto dinamica e mediante opportuni algoritmi permette a dispositivi esterni di agganciarsi a uno dei cluster. 2.3 Livello fisico IL livello fisico dello standard 1 fornisce due servizi: il PHY data service che abilita la ricezione e trasmissione dei PPDU (protocol data unit, pacchetti spediti sulla radio) e il PHY management service che si interfaccia con il physical layer management entity (PLME), fornendo alcuni servizi di controllo. 1 Alcuni particolari del livello fisico dello standard IEEE verranno descritti in appendice A.
33 2.3 Livello fisico 25 Figura 2.1: Modelli di topologia. Le caratteristiche e i compiti del livello fisico sono i seguenti: Attivazione e spegnimento del trasduttore radio (radio transceiver). Energy Detection (ED), rilevamento della potenza sul canale radio. Link Quality Indication (LQI), indicazione della qualità del canale radio. Selezione del canale di comunicazione. Clear Channel Assesment (CCA), riconoscimento di canale libero o occupato. Trasmissione e ricezione di pacchetti sul canale radio. Lo standard offre due bande di frequenze, operanti a velocità (bit-rate) e modulazioni diverse: i dati essenziali sono riassunti in figura 2.2. Su entrambe le bande viene utilizzata una modulazione a spettro espanso mediante la tecnica DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) ossia moltiplicando ogni simbolo, prima della modulazione, per una sequenza di spreading di tipo PN (pseudo-noise, con proprietà spettrali simili a rumore bianco) rispettivamente di 15 chip per la banda inferiore e 32 chip per quella superiore.
34 26 Capitolo 2. Lo standard IEEE Figura 2.2: Bande di frequenze e data-rate [1] Nella banda ISM (Industrial, Scientifical Medical) a 2,4 Ghz (da 2400 a 2483,5 Mhz) il data rate è di 250 Kbps. Esistono 16 canali da 2 Mchip/s ognuno, spaziati di 5 Mhz. Le frequenze portanti sono distribuite secondo questa equazione: F c = (k 11) [Mhz] con k =11,...,26 (2.1) Nella seconda banda, da 868 a 915 Mhz si utilizza un data-rate inferiore, rispettivamente di 20 Kbps per il singolo canale di 300 kchip/s a Mhz e 40 kbps per i 10 canali da 600 kchip/s tra 902 e 928 Mhz (spaziati di 2 Mhz). Le frequenze sono così distribuite. F c = [Mhz] con k =0 (2.2) F c = (k 1) [Mhz] con k =1,...,10 (2.3) La tolleranza sulla frequenza portante di ogni canale e sul bit-rate deve essere di ±40 ppm. Lo standard prevede un totale di 27 canali; mentre la banda a 2,4 Ghz èismin tutto il mondo (e quindi di libero utilizzo nei limiti imposti per legge), la banda attorno ai 915 Mhz in Europa non è libera. L utilizzo di bande e bit-rate diversi è dettato da necessità contrastanti: bit-rate inferiori portano a schemi di modulazione più robusti e immuni a rumori e interferenze, ma per contro limitano il traffico utile (throughput) del sistema. Alte frequenze implicano anche perdite di potenza maggiori e dunque raggi di copertura inferiori, ma tempi di trasmissione e ritardi inferiori.
35 2.3 Livello fisico 27 Per questo motivo la sensibilità dei ricevitori (soglia di potenza sotto la quale non può avvenire una corretta ricezione) prevista dallo standard è diversa nelle due bande: -85 dbm per la banda ISM a 2,4 Ghz e -92 dbm per la banda a 868/915 Mhz (i 6-8 db di guadagno sono dovuti alla maggior robustezza del sistema a bit-rate inferiore). Ovviamente questi valori sono valori minimi: nulla vieta che la sensibilità possa essere maggiore (e quindi che i valori numerici siano inferiori). Lo standard prevede anche una selezione dinamica del canale da utilizzare, sondando un insieme di canali sulla base della qualità del canale stesso. La potenza di trasmissione deve essere conforme alle leggi locali, diverse,ad esempio, in Europa o negli USA Energy Detection (ED) L Energy Detection, o rilevamento dell energia sul canale radio, è parte integrante dell algoritmo di selezione del canale. Si tratta in sostanza di una stima della potenza del segnale ricevuto nella banda di un determinato canale di tipo IEEE La stima viene effettuata su 8 periodi di simbolo e non vi è alcun tentativo di decodifica del segnale a questo livello. Ilrisultatovieneriportatocomeinterosenzasegnoa8bit,daunvaloreminimo di 0x00 a 0xff (da 0 a 255 in decimale). Il valore minimo (0) deve indicare una potenza di meno di 10 db sopra la sensibilità del ricevitore. La dinamica della potenza ricevuta stimata dall ED deve essere di almeno 40 db. All interno di questo intervallo la mappatura della potenza (in db) su i valori di ED (interi senza segno) deve essere lineare con un accuratezza di ±6 db. Molti chip radio che implementano lo standard possiedono un sottosistema di tipo RSSI (Received Signal Strength Indicator) che si occupa dell Energy Detection. Molto spesso quindi i due termini possono essere utilizzati quasi come sinonimi Link Quality Indication (LQI) La misura LQI (qualità del collegamento), effettuata alla ricezione di un pacchetto, caratterizza il canale radio mediante una stima della qualità del pacchetto (stima del BER, bit error rate). Anche il valore LQI viene memorizzato come intero senza segno (da 0 a 255) che rappresenta, mediante una mappatura lineare, la qualità del segnale di tipo IEEE rilevabile dal ricevitore.
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