Corso di Sistemi di Misura Distribuiti. Ing. Domenico Capriglione

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1 Corso di Sistemi di Misura Distribuiti Ing. Domenico Capriglione

2 LE TECNOLOGIE WIRELESS PER I SISTEMI DI MISURA DISTRIBUITI

3 Nel corso degli ultimi anni, le tecnologie di comunicazione wireless sono divenute onnipresenti in gran parte grazie all elettronica di consumo. Esistono centinaia di produttori di dispositivi wireless ed altrettanti standards La comunicazione wireless offre numerosi vantaggi per applicazioni di misura, tra cui costi di cablaggio e installazione inferiori, mobilità dei nodi di misura, minori ingombri

4 Le architetture più generali prevedono tre tipi si soluzioni: 1) Trasmissione dati attraverso la rete di comunicazione cellulare; 2) Trasmissione dati attraverso canali radio dedicati (non telefonici); 3) Trasmissione dati su corto raggio attraverso infrarossi o collegamenti a radiofrequenza. La soluzione 1) non nasce specificamente per trasmissione dati ma è ampiamente diffusa Le soluzioni 1) e 2) consentono coperture praticamente globali!!! La soluzione 3) non ha costi di gestione (perché operante su bande non licenziate)

5 Trasmissione dati attraverso la rete di comunicazione cellulare Si basa su infrastrutture di reti GSM (2G), GPRS (2.5G) e UMTS (3G) operanti nelle bande 900 MHz, 1800 MHz e 2 GHz. GSM nasce per la comunicazione mobile digitale cellulare (data rate fino a 9.6 kbps) GPRS è una tecnologia che si appoggia sulla rete GSM ma che consente di ottenere data rate maggiori e connessioni sempre attive (data rate fino a kbps) UMTS è davvero globale perché integra anche la rete satellitare e la possibilità di accesso diretto alla rete internet a banda larga (data rate fino a 2 Mbps)

6 Trasmissione dati attraverso la rete di comunicazione cellulare: GSM Il Data Base contiene informazioni sulla posizione della stazione mobile e i dati necessari per l identificazione dell utente Attraverso delle opportune interfacce si può comunicare con altre reti fisse e/o mobili. 9.6 kbps

7 Trasmissione dati attraverso la rete di comunicazione cellulare: GSM Gli strumenti sono collegati alla rete GSM tramite un PC al quale sono connessi tramite un intefraccia per strumentazione (RS232, IEEE488, ecc.) Alcuni strumenti integrano il modem GSM (non è necessario il PC esterno) Il PC esterno può servire anche per eseguire delle pre-elaborazioni del dato

8 Trasmissione dati attraverso la rete di comunicazione cellulare: GSM Le informazioni di misura sono trasferite al System Control tramite rete telefonica o Internet (in questo caso è anche possibile leggere i dati con il protocollo WAP da un terminale mobile) Nell ambito del nodo di misura, il collegamento del terminale mobile al PC può avvenire in diversi modi (IRDA, cavo USB, ecc.)

9 Trasmissione dati attraverso la rete di comunicazione cellulare: GSM Spesso il cellulare è sostituito direttamente da un modem GSM e, nel caso di strumentazione modulare, esistono moduli integrati dedicati alla comunicazione GSM /GPRS.

10 Trasmissione dati attraverso la rete di comunicazione cellulare: GPRS La differenza principale rispetto al GSM è nella tecnologia di comunicazione che passa da commutazione di canale a commutazione di pacchetto Una volta stabilito il link, questo rimane sempre attivo (invece nel GSM c è sempre una richiesta di connessione

11 Trasmissione dati attraverso la rete di comunicazione cellulare: UMTS La parte terrestre è simile al GSM (in alcuni casi si sfrutta proprio la rete GSM), mentre la comunicazione satellitare si basa su un numero cospicuo (da 50 a 500) di satelliti geostazionari

12 Trasmissione dati attraverso la rete di comunicazione cellulare: UMTS Grazie alle triangolazioni satellitari, con l UMTS è possibile anche una localizzazione accurata dei nodi di misura

13 Trasmissione dati attraverso canali radio dedicati Impiegabile per comunicazioni a distanze comprese in 100m- 100km L elemento cruciale di tale architettura è il radiomodem (trasmettitore + ricevitore + unità di conversione)

14 Trasmissione dati attraverso canali radio dedicati La potenza richiesta in trasmissione (per soddisfare i requisiti dell applicazione) determina la necessità o meno di chiedere e pagare una licenza. Generalmente fino a 20 mw e per frequenze < 800 MHz non è necessaria alcuna licenza se si opera in alcune bande La potenza massima è generalmente < 10W (tale valore dipende dai limiti ammessi dalla Legislazione vigente)

15 Trasmissione dati attraverso canali radio dedicati

16 Trasmissione dati attraverso canali radio dedicati Il System Center riceve e processa i dati forniti dalle varie stazioni di misura I radiomodem sono presenti in ogni stazione di misura e provvisti di antenne generalmente direzionali (in tal modo si riducono le potenze trasmesse e quindi consumate, si riduce la trasmissione di energia in direzioni non desiderate minori interferenze generate, maggiore sicurezza rispetto a reti pubbliche)

17 Trasmissione dati attraverso canali radio dedicati I radiomodems soffrono di alcuni problemi di instabilità della qualità della connessione o interruzioni. Alcuni dispositivi hanno anche funzionalità radiofoniche che consentono di eseguire dei semplici chekup acustici. Altri problemi possono sorgere se variano in maniera significativa le condizioni di propagazione. La qualità della ricezione può essere migliorata aumentando la potenza trasmessa (nei limiti possibili di consumo, costo e di emissioni elettromagnetiche ammissibili) o l altezza dell antenna trasmittente. Per incrementare l area di copertura alcune delle stazioni di misura possono anche essere impiegate come ripetitori.

18 Trasmissione dati attraverso canali radio dedicati Il funzionamento da repeater si ottiene grazie a protocolli opportuni

19 Trasmissione dati attraverso canali radio dedicati Il maggiore vantaggio di questo tipo di tecnologia rispetto all impiego di reti pubbliche è l assenza di ritardo nella trasmissione dei comandi o dei dati di misura (poiché non si passa attraverso delle infrastrutture di comunicazione impiegate anche per altre applicazioni)

20 Confronto rete cellulare canale privato E necessario considerare diverse figure di merito: 1) Copertura richiesta; 2) Massimo data rate; 3) Tempo richiesto per la connessione; 4) Livello di sicurezza dei dati; 5) Numero di nodi di misura; 6) Costo dello sviluppo del sistema di comunicazione; 7) Costi operativi del sistema per uno specifico volume di dati da trasmettere.

21 Confronto rete cellulare canale privato 1) Copertura richiesta Il GSM offre una copertura maggiore grazie all infrastruttura di rete sottostante (che si estende anche su rete Internazionale) In sistemi basati su radiomodems la copertura è limitata dai valori massimi ammissibili della potenza trasmesse, dall altezza dell antenna trasmittente e dalle condizioni di propagazione (generalmente non si superano i 50 km tra 2 nodi)

22 Confronto rete cellulare canale privato 2) Massimo data rate Le reti cellulari offrono un data rate generalmente maggiore (da 9.6 kbps a 2 Mbps) In sistemi basati su radiomodems il data rate è generalmente compreso tra 1.2 kbps e kbps. 3) Massimo ritardo Le reti cellulari introducono dei ritardi anche non deterministici a causa delle operazioni di commutazione (di canale o di pacchetto). In alcuni casi (reti sovraccariche) tali ritardi diventano non sostenibili. In sistemi basati su radiomodems non esistono tali ritardi

23 Confronto rete cellulare canale privato 4) Livello di sicurezza dei dati Nelle reti cellulari i parametri sono tutti noti, quindi dovrebbero essere meno sicure In sistemi basati su radiomodems i parametri di trasmissione e codifica dei dati non sono standardizzati ed avendo una trasmissione molto direzionale si riduce la possibilità di intercettazione

24 Confronto rete cellulare canale privato 5) Numero di nodi di misura, 6) Costo dello sviluppo del sistema di comunicazione, 7) Costi operativi del sistema Le reti cellulari richiedono solo l acquisto del modem (che a volte può essere un semplice telefonino) e il pagamento di un abbonamento o del traffico dati (costi operativi) In sistemi basati su radiomodems esistono altre voci di costo: modems, antenne, costi di installazione. Molto dipende dal numero di nodi di misura!!

25 Trasmissione dati su corto raggio Da qualche anno a questa parte si sono fatte largo nel panorama delle comunicazioni le tecnologie di connessione wireless personali con caratteristiche e funzionalità diverse da quelle della telefonia mobile o dei canali radio dedicati Le reti che hanno questo scopo prendono il nome di WPAN, Wireless Personal Area Network: costo esiguo, data rate basso, raggio d azione limitato

26 IrDA Trasmissione dati su corto raggio Nata per applicazioni informatiche L angolo è limitato anche per evitare interferenze con altri dispositivi Si realizzano solo collegamenti 1-1

27 Trasmissione dati su corto raggio a) IrDA installato direttamente sullo strumento; b) Strumento con RS-232 (è necessario un covertiore RS232 <-> IrDA

28 Trasmissione dati su corto raggio Fra le nuove tecnologie candidate a dare vita alle WPAN ci sono Bluetooth, WiFi, Zigbee e UWB Bluetooth (IEEE ) permette di connettere con basso consumo di energia dispositivi diversi nel raggio di metri ad una velocità massima di 1 Mbps (nominale) Zigbee (IEEE ), adatta alla radioconnessione di piccoli dispositivi nell ambito del monitoraggio industriale, consente la realizzazione di reti wireless a basso consumo e velocità di trasmissione che va da 20 a 250 kbps

29 La tecnologia BlueTooth Lo scopo principale della nascita della tecnologia BlueTooth risiede nella capacità di far dialogare e interagire fra loro dispositivi diversi (telefoni, stampanti, notebook, PDA, computer, impianti HiFi, PC, cellulari, elettrodomestici, etc.) senza la necessità di collegamenti via cavo e nel range di 10 m

30 La tecnologia BlueTooth Una banda di frequenze che soddisfa tali requisiti è a 2.45 GHz Industrial-Scientific Medical (ISM) band, il cui range è 2,400-2,483.5 MHz in USA, Giappone ed Europa (eccetto Spagna e Francia) L ampiezza di canale (ci sono 79 canali) è di 1MHz; sono previste delle bande di guardia

31 La tecnologia BlueTooth CARATTERISTICHE DEL TRASMETTITORE Viene specificato il livello di potenza al connettore dell antenna I trasmettitori sono catalogati in tre classi

32 La tecnologia BlueTooth 0 dbm = 1mW 4 dbm = 2.5mW 20 dbm = 100mW il livello di segnale in ingresso per il quale si ottiene un BER dello 0.1%

33 La tecnologia BlueTooth Un sistema radio che opera nella banda ISM deve tuttavia fronteggiare un numero imprevedibile di sorgenti rumorose quali baby monitor, telecomandi per le porte del garage, telefoni cordless e (la maggiore) forni a microonde L interferenza può essere evitata utilizzando uno schema adattativo che ricerchi una parte dello spettro inutilizzata oppure può essere soppressa con una tecnica spread spectrum che protegge anche dal fading dovuto al canale (riflessioni determinano cammini multipli) Le tecniche di spread spectrum sono state inizialmente sviluppate per scopi militari e di spionaggio. Lo scopo è quello di disperdere il segnale che trasporta le informazioni su una maggiore ampiezza di banda per complicare le attività di disturbo e di intercettazione

34 La tecnologia BlueTooth Bluetooth utilizza come tecnica spread spectrum il frequency hop (FH) perché offre l implementazione radio migliore dal punto di vista dei costi e del consumo di potenza Il sistema FH divide la banda di frequenza in più hop channels Un eventuale intercettatore potrà udire solo degli spezzoni estremamente brevi e non intelligibili Ogni tentativo di disturbare il segnale su una frequenza avrà il solo effetto di far perdere qualche bit

35 La tecnologia BlueTooth L ampiezza di banda totale viene suddivisa in 79 canali fisici con ampiezza di banda 1MHz Durante una connessione, il radio transceiver salta da un canale ad un altro in modo pseudo-casuale La larghezza di banda istantanea (del singolo hop) è in tal modo piccola, ma l allargamento dello spettro è ottenuto sull intera banda di frequenza; si ottengono così dei transceiver narrow band a basso costo e con massima immunità all interferenza da rumore

36 La tecnologia BlueTooth Due o più unità che condividono lo stesso canale formano una piconet; un unità agisce come master, controllando il flusso di traffico sulla piconet (7 slave + 1 master), le altre come slave In ogni caso può esistere un solo master e sette elementi attivi slave sul canale per volta Ogni unità nella piconet utilizza l identità del master e il clock per agganciarsi al canale di hopping Topologia STAR punto-punto

37 La tecnologia BlueTooth Un gruppo di piconet che condividono risorse e unità è detto scatternet 4 piconet

38 La tecnologia BlueTooth PERCHE PICONET E SCATTERNET? Supponiamo ci siano 100 utenti; se tutti appartengono allo stesso network, allora avranno da condividere uno stesso canale da 1 MHz e avranno un throughput per utente pari a 10 kbit/s, un throughput aggregato di 1 Mbit/s. Supponiamo ora che non tutte le unità siano interessate a comunicare tra loro; potremmo suddividere la piconet in più piconet indipendenti. Per esempio, dividiamoli in 5 per gruppo, ossia formiamo 20 piconet. Con soli 5 utenti che condividono il canale di 1 MHz il throughput unitario passa a 200 kbit/s e il throughput aggregato aumenta a 20 Mbit/s

39 La tecnologia BlueTooth UN ESEMPIO DI APPLICAZIONE NELLE MISURE Il modulo può essere suddiviso in un numero di blocchi funzionali descritti di seguito

40 L antenna è piccola a larga banda, omnidirezionale tipo SMD (Sourface Mount Device) Filtro Passa-Basso per il segnale proveniente o diretto verso l antenna Un blocco amplificatore per amplificare il segnale (classe 1) in accordo con lo standard Bluetooth Blocco di trasmissione e ricezione Chip a radio frequenza BCM2033 Oscillatore a cristallo per generare il segnale di clock Memoria Flash contenente il firmware La tecnologia BlueTooth UN ESEMPIO DI APPLICAZIONE NELLE MISURE Interfaccia hardware digitale UART o USB

41 La tecnologia BlueTooth UN ESEMPIO DI APPLICAZIONE NELLE MISURE IL MODULO RADIO

42 La tecnologia BlueTooth UN ESEMPIO DI APPLICAZIONE NELLE MISURE IEEE-488-Bluetooth (Controller) RS-232-Bluetooth (Controller)

43 La tecnologia BlueTooth UN ESEMPIO DI APPLICAZIONE NELLE MISURE IEEE-488-Bluetooth (Controller)

44 La tecnologia BlueTooth UN ESEMPIO DI APPLICAZIONE NELLE MISURE RS-232-Bluetooth (Controller)

45 La tecnologia BlueTooth I BENEFICI DEL BROADCAST PC RS232-BT BT-RS232 1 BT-RS232 2 Strumento 1 Strumento 2 BT-RS232 7 Strumento 7 Con una sola interfaccia RS232-BT si possono avere fino a 7 strumenti (o addirittura 255) che ricevono messaggi broadcast

46 La tecnologia BlueTooth I BENEFICI DEL BROADCAST Strumento 1 BT-IEEE488 1 Strumento 2 PC IEEE488-BT Strumento 20 Strumento 1 Con una sola interfaccia IEEE488-BT si possono avere fino a 7 * 20 strumenti (o addirittura 255*20) che ricevono messaggi broadcast BT-IEEE488 7 Strumento 2 Strumento 20

47 La tecnologia BlueTooth

48 La tecnologia ZigBee Perché consente bassissimi consumi in virtù di un duty-cycle anche <1% (i dispositivi possono disattivarsi temporanemante) Perché ha un basso costo Perché consente di ottenere un alta densità di nodi per rete SCOPO: Protocollo pensato per reti W-PAN a bassa bit rate costituite da dispositivi alimentati tramite batterie che non possono essere sostituite frequentemente, come le reti di sensori;. potrebbe essere una buona soluzione per applicazioni di misura

49 La tecnologia ZigBee: confronto con soluzioni alternative Standard IrDA Wi-Fi Bluetooth UWB ZigBee b Applicazioni Comunicaz. Seriale a basso Data Rate Networking Video Audio e dati Video, dati, tracking Sensori, Monitoraggio & Controllo Dimensioni Stack - 1MB+ 250KB+ - 32KB Nodi Data Rate (kb/s) (Dir) 57.6 (Rev) Raggio di copertura (Metri) (Cl. 1) 10 (Cl. 2) 1 (Cl. 3) Consumo Medio Medio/Alto Medio Basso Basso

50 La tecnologia ZigBee La tecnologia ZigBee si basa sullo standard IEEE che ne definisce le direttive a livello fisico e del controllo degli accessi al canale ZigBee identifica l alleanza industriale che mira a promuoverne lo sviluppo e la diffusione Application API Security Network MAC PHY Alleanza ZigBee IEEE

51 La tecnologia ZigBee LE POSSIBILI APPLICAZIONI Allarmi Sistemi di riscaldamento Controllo illuminazione Controllo dell accesso BUILDING AUTOMATION CONSUMER ELECTRONICS TV VCR DVD/CD Controlli da remoto Monitoraggio pazienti Monitoraggio attività fisica PERSONAL HEALTH CARE ZigBee Wireless Control that Simply Works PC & PERIPHERALS mouse keyboard joystick Controllo di processo Monitoraggio ambientale Gestione dell energia INDUSTRIAL CONTROL RESIDENTIAL/ LIGHT COMMERCIAL CONTROL Allarmi Sistemi di condizionamento Controllo illuminazione Controllo accesso Irrigazione

52 La tecnologia ZigBee LIVELLO FISICO (PHY) MODULAZIONE UTILIZZO DATA RATE CANALI Lo standard prevede tre bande di frequenza per la comunicazione, ognuna delle quali offre un diverso numero di canali e una differente velocità per i dati 2.4 GHz O-QPSK Ovunque 250 kbps MHz BPSK Americhe 40 kbps MHz BPSK Europa 20 kbps 1

53 La tecnologia ZigBee Adotta un sistema di modulazione del tipo Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS), tecnologia di trasmissione a "frequenza diretta" a banda larga, ogni bit viene trasmesso come una sequenza ridondante di bit, detta chip Il segnale risultante viene propagato su una banda maggiore di quella necessaria ma con livelli di potenza molto bassi DSSS LIVELLO FISICO (PHY) FHSS

54 La tecnologia ZigBee ha un comportamento eccellente anche in ambienti rumorosi Bluetooth

55 PAN Coordinator La tecnologia ZigBee LE TOPOLOGIE DI RETE Topologia Star Full Function Device Reduced Function Device Communications Flow

56 La tecnologia ZigBee LE TOPOLOGIE DI RETE Topologia Peer to Peer Topologia Cluster Tree Full function device Communications flow

57 La tecnologia ZigBee LE TOPOLOGIE DI RETE ZigBee Coordinator (FFD) ZigBee Router (FFD) ZigBee End Device (RFD or FFD) Mesh Link Star Link

58 La tecnologia ZigBee alcune considerazioni sul consumo di energia Il protocollo è stato sviluppato per favorire i dispositivi a pile, i quali richiederanno un duty-cycle molto basso per ridurre il consumo di energia Questi dispositivi passano la maggior parte della loro vita operativa in una condizione di inattività (sleep), ascoltando periodicamente il canale a RF per determinare se un messaggio è in corso MC13192 CC2420 Consumo di corrente Sleep 1 μa Trasmissione 34 ma Ricezione 37 ma Sleep 1 μa Trasmissione 17.4 ma Ricezione 19.7 ma

59 La tecnologia ZigBee CONFRONTO ZIGBEE-BLUETOOTH CONSUMO DI POTENZA ISTANTANEA I Transceivers 15.4 sono simili a quelli Bluetooth: O-QPSK with shaping Max data rate 250kbps over the air 2Mchips/s over the air Direct Sequence Spread Spectrum (62.5ksps*32 spread) -92 dbm sensitivity nominal Bluetooth FSK Max data rate 720kbps over the air 1Msps over the air Frequency Hop Spread Spectrum ( hps) -83 to -84 dbm sensitivity nominal Il consumo di potenza sarebbe simile nei due casi se non fosse per il differente protocollo adottato!!!

60 La tecnologia ZigBee CONFRONTO ZIGBEE-BLUETOOTH Il Protocollo 15.4 Protocol è stato sviluppato con scopi molto differenti da Bluetooth: Duty cycle molto bassi, applicazioni con alimentazione a batteria e tempi di vita molto lunghi Reti statiche e dinamiche, topologie cluster tree e star network structures con potenzialmente un numero molto grande di nodi (>>65534), bassa latenza se richiesto Capacità di rimanere in uno stato di inattività per lunghi periodi senza dover comunicare con la rete Bluetooth Duty cycle medio, dispositivi con consumo abbastanza elevato Sostituzione dei mezzi di comunicazione wired per dispositivi che necessitano di data rates non eccessivi ma con un elevato QoS e latenza molto bassa Reti Quasi-statiche con topologia star e con al massimo 7 dispositivi (in grado di far parte di più reti contemporaneamente) Generalmente utilizzato in applicazioni dove il consumo di potenza è non fisso (cuffie, cellulari) o per dispositivi alimentati dalla rete (stampanti)

61 La tecnologia ZigBee CONFRONTO ZIGBEE-BLUETOOTH Lo stack protocollare ZigBee può arrivare ad occupare soli 32 KB (in Bluetooth fino a 250KB) ZigBee può raggiungere un Data Rate di 250 kbps, assai più basso dei 723 kbps di Bluetooth Negli stati a basso consumo ZigBee consente di ottenere consumi molto bassi (Sleep Mode ~ 1uA) rispetto a Bluetooth (Park, Hold e Sniff Mode ~ 15mA)

62 La tecnologia ZigBee CONFRONTO ZIGBEE-BLUETOOTH

63 concludendo Non esiste la tecnologia wireless ottima per tutte le applicazioni Il progettista deve tenere in considerazione alcuni principali parametri il cui peso dipende dalla specifica applicazione: 1) Area di copertura; 2) Prestazioni; 3) Costi di installazione e di gestione; 4) Consumi; 5) Sicurezza della trasmissione dati; 6) Integrabilità con altre reti dati.

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