Una rassegna di sistemi di data collection basati su tecnologia ZigBee

Alma Mater Studiorum Â· Universit` a di Bologna FACOLT ` A DI SCIENZE MATEMATICHE, FISICHE E NATURALI Corso di Laurea Specialistica in Scienze di Internet UNA RASSEGNA DI SISTEMI DI DATA COLLECTION BASATI SU TECNOLOGIA ZIGBEE Tesi di Laurea in Sistemi e Reti Wireless Relatore:
Chiar.mo Prof.
Luciano Bononi Presentata da: Michele Di Pierno III Sessione Anno Accademico 2009-2010 Ai miei genitori, Antonio e Rosalba. . . Introduzione Figura 1: Architettura Wireless Sensor Networks, (www.monet.postech.ac.kr) Da circa ventâ''anni a questa parte il mondo delle telecomunicazioni ` e mi- grato a tutti gli effetti verso la tecnologia digitale. Grazie alla telefonia cellulare e in particolare allo standard GSM, gli studi sulle comunicazioni di- gitali iniziati nella prima met` a del novecento (da Shannon e da altri pionieri) hanno visto la prima grande applicazione di massa in ambito civile. Sebbene gi` a in altri ambiti (ad esempio nella rete telefonica pubblica) la trasmissione per via numerica fosse gi` a solidamente affermata, solo con lâ''avvento dei cellu- lari ` e emerso lâ''immenso potenziale della trasmissione wireless. Attualmente la â'rivoluzione digitaleâ' si sta dirigendo verso lâ''ambito senza fili o wireless, appunto. Allâ''interno dellâ'' ampia famiglia delle comunicazioni wireless si stanno evol- vendo molte ramificazioni diverse. Un ramo che risulta fondamentale ` e quello delle Reti di Sensori Wireless. Una Wireless Sensor Network consiste in un grande numero di nodi sensori i ii INTRODUZIONE che possono essere addensati senza problemi nelle varie aree di riferimento. Una rete di sensori ` e unâ''infrastruttura che comprende la misurazione, lâ''ela- borazione e la comunicazione di valori di sensori che permettono allâ''ammi- nistratore di rete la possibilit` a di misurare, osservare e reagire a determinati eventi e fenomeni in uno specifico ambiente. Le Wireless Sensor Network (WSN) vengono utilizzate per il monitoraggio di ampie superfici laddove risulta complesso il provisioning di connessione di rete e alimentazione elettrica. Eâ'' interessante astrarre le WSN come basi di dati per permettere il recupero delle misurazioni ottenute dai sensori effet- tuando operazioni di selezione ed aggregazione dei dati. Le reti di sensori, al giorno dâ''oggi, ci offrono innumerevoli opportunit` a di in- novazione che riguardano differenti settori del mercato globale, permettendo di introdurre sia nuove modalit` a per la raccolta e lâ''elaborazione dei dati che per il controllo e il monitoraggio di un particolare ambiente. Infatti, le reti di sensori permettono di osservare e interagire con lâ''ambiente e con i fenomeni, restando sempre connesse in tempo reale e risultando de- terminanti in situazioni critiche come guerre, catastrofi naturali, epidemie, e non solo. Infatti il continuo progresso tecnologico ha permesso la miniaturiz- zazione di microprocessori e sensori, consentendone lâ''utilizzo allâ''interno delle reti wireless. Una delle tecnologie radio di prossimit` a che si sta sviluppando maggiormente questâ''oggi e lo ZigBee. Lo Zigbee ` e una tecnologia radio nata dalla necessit` a di definire uno stan- dard di comunicazione wireless per la creazione di reti di micro-dispositivi che rispondano ai seguenti paradigmi: bassi costi, consumi limitati, utilizzo di frequenze libere, scalabilit` a, affidabilit` a, interoperabilit` a e sicurezza. ZigBee ` e nato per realizzare reti di tipo Wireless Personal Area Network (WPAN), cio` e reti personali di dispositivi intelligenti e multifunzione, in grado di inte- grare sensori ed attuatori per la traduzione in dati di stimoli esterni di varia natura, che si riconfigurano dinamicamente per formare reti ad hoc, adatta- bili al contesto in cui si inseriscono. INTRODUZIONE iii Obbiettivo del mio elaborato ` e affrontare tematiche riguardanti i sistemi di Data Collection basati su tecnologie di sensori wireless, in particolare sullo standard ZigBee. Inizialmente verr` a fornita una panoramica generale sulle Wireless Sensor Networks, dove ne verranno spiegate le caratteristiche principali e ne verran- no indicati gli ambienti di utilizzo, le modalit` a di funzionamento e i diversi settori in cui esse sono impiegate in modo efficace e, verr` a introdotto lo Zig- Bee come standard maggiormente utilizzato. Successivamente ci si sposter` a sul focus del mio elaborato: i sistemi di Data Collection andando a descrivere i differenti contesti nei quali ` e possibile il loro completo impiego, con riferimento a specifiche applicazioni, approfon- dendo un caso studio. Nel primo capitolo verr` a fornita una panoramica generale sulle Wireless Sensor Networks, partendo da una suddivisione delle reti di comunicazione in base alla loro estensione, per poi proseguire con gli elementi distintivi che compongono una WSN: Nodo, Scalabilt` a, Canale Radio, Consumi, p.e, e gli scenari applicativi di utilizzo. Nel secondo capitolo verr` a fornita una panaramica sul protocollo ZigBee: saranno descritte le specifiche dello standard, i componenti, le tipo- logie di rete e i vari dispositivi, con unâ''attenzione maggiore allo stack ZigBee descrivendo il livello fisico, mac, applicazione e rete. Infine gli ambiti appli- cativi e un breve confronto con tecnologie simili. Nel terzo capitolo verr` a fornita una descrizione di una delle applicazioni piu importanti per le Reti di Sensori Wireless: il sistema di Data Collection. Di questo, ne verranno descritte alcune tipologie approfondendo le loro ca- ratteristiche, le loro specificit` a nella raccolta dati e gli scenari di utilizzo. iv INTRODUZIONE Il quarto capitolo ` e il capitolo relativo al caso studio: la Z-Sim, ovvero una scheda sim con nodo ZigBee integrato. Ne verranno illustrate le caratteristiche, descritto il suo funzionamento al- lâ''interno di un mobile phone ed esplicitati gli scenari dâ''uso. Infine nel quinto capitolo saranno esposte le mie considerazione riguar- danti le tematiche trattate nel mio elaborato. Indice Introduzione i 1 Reti di sensori Wireless 1 1.1 Gli elementi di una WSN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.1.1 Nodo Sensore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.2 Tolleranza ai guasti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.3 Scalabilit` a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.4 Costi Produttivi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.5 Ambienti Operativi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.6 Topologia di Reti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.6.1 Tipologie di Nodi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.7 Requisiti Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.7.1 Sistemi di Sensori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.7.2 Sistemi di Controllo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.7.3 Sistemi di Comunicazione . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.7.4 Sistema di Alimentazione . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.8 Canale Radio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.9 Consumi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.9.1 Consumi di un nodo sensore . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.10 WSN: Scenari Applicativi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.10.1 Monitoraggio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.10.2 Riconoscimento di Eventi . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.10.3 Classificazione di oggetti . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 v vi INTRODUZIONE 1.10.4 Tracciamento di oggetti . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.10.5 Applicazioni Ambientali . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.10.6 Applicazioni Mediche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.10.7 Applicazioni militari . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.10.8 Applicazioni domotiche . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.10.9 Applicazioni Commerciali . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.10.10 Applicazioni industriali . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2 Lo Standard IEEE 802.15.4 21 2.1 ZigBee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.2 Specifiche dello Standard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.3 IEEE 802.15.4 WPAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.3.1 Componenti di una WPAN . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.4 Topologie di rete dello standard ZigBee . . . . . . . . . . . . . 28 2.4.1 Dspositivi ZigBee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.5 Livelli dello Stack ZigBee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.5.1 Livello Fisico (PHY) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.5.2 Livello di Accesso al Mezzo (Mac) . . . . . . . . . . . . 40 2.5.3 Livello Rete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 2.5.4 Livello Applicazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 2.6 Ambiti applicativi dello ZigBee . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 2.7 Confronto con altri dispositivi . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3 Data Collection 59 3.1 Easy-Ski . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 3.2 Mensa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 3.3 AutomatiKitchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 3.4 Gestione Produzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 3.5 Monitoraggio Ambientale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 3.6 Consegna Bagagli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 3.7 Gestione Magazzino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 3.8 Telepass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 INDICE vii 3.9 Metro: Il Negozio del Futuro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 3.10 Infosat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 3.11 Monitoraggio del traffico stradale . . . . . . . . . . . . . . . . 80 3.12 Monitoraggio dei veicoli di trasporto . . . . . . . . . . . . . . 84 4 Caso Studio: Z-Sim 87 4.1 Cosâ''` e la Z-Sim . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 4.2 ZigBee nel Telefonino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 4.3 Scenari Dâ''uso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 4.3.1 Acquisto assistito dei beni di consumo . . . . . . . . . 93 4.3.2 Cardio Gps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 4.3.3 BibliotecaTicket . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 4.3.4 Fitness Traning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 Conclusioni 99 Bibliografia 101 Elenco delle figure 1 Architettura Wireless Sensor Networks, (www.monet.postech.ac.kr) i 1.1 Suddivisione delle reti, (www.dei.unipd.it) . . . . . . . . . . . 3 1.2 Architettura del nodo Sensore, (www.dbgroup.unimo.it) . . . . 4 1.3 Tipologie del nodo Sensore, (www.dbgroup.unimo.it) . . . . . 10 2.1 Specifiche dello Standard, (www.telecomitalia.it) . . . . . . . . 25 2.2 Tre Topologie di rete, (www.microwatt.co.uk) . . . . . . . . . 28 2.3 Topologia a Stella, (www.microwatt.co.uk) . . . . . . . . . . . 29 2.4 Topologia Cluste-Tre, (www.microwatt.co.uk) . . . . . . . . . 30 2.5 Topologia Mesh, (www.microwatt.co.uk) . . . . . . . . . . . . 32 2.6 Esempio dispositivi ZigBee, (www.emcelettronica.com) . . . . 33 2.7 Architettura ZigBee, (www.swappa.it) . . . . . . . . . . . . . 36 2.8 Bande di frequenza del livello fisico, (www.dbgroup.unimo.it) . 37 2.9 Bande di Frequenza e Data-Rate, (www.dbgroup.unimo.it) . . 38 2.10 Struttura del SuperFrame, (www.webuser.unicas.it) . . . . . . 42 2.11 Sequenza di Trasferimento Dati, (www.webuser.unicas.it) . . . 43 2.12 Rete non Beacon Abilitata,(www.webuser.unicas.it) . . . . . . 44 2.13 Comunicazione coordinatore-dispositivo, (www.webuser.unicas.it) 45 2.14 Caso di rete non Beacon Abilitata, (www.webuser.unicas.it) . 45 2.15 Le quattro tipologie di frame dello standard IEEE 802.15.4, (www.webuser.unicas.it) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 2.16 Struttura di un Beacon Frame, (www.webuser.unicas.it) . . . . 48 2.17 Struttura del Data Frame,(www.webuser.unicas.it) . . . . . . . 49 ix x ELENCO DELLE FIGURE 2.18 Struttura del frame ACK, (www.ebuser.unicas.it) . . . . . . . 50 2.19 Struttura del Mac Command Frame, (www.webuser.unicas.it) 51 2.20 Ambiti Applicativi dello ZIgBee, (www.aurelwireless.com) . . 56 2.21 Confronto tra tecnologie di prossimit` a, (www.telecomitalia.com) 58 3.1 Data Collection, (www.unisi.it) . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 3.2 AutomationKitchen,(www.hwjournal.net) . . . . . . . . . . . . 66 3.3 Monitoraggio Industriale, (www.bi-lab.it) . . . . . . . . . . . . 68 3.4 Monitoraggio Ambientale, (www.tdgroup.it) . . . . . . . . . . 70 3.5 Smistamento sicuro dei bagagli, (www.agi.it) . . . . . . . . . . 72 3.6 Gestione Magazzino, (www.manageronline.it) . . . . . . . . . 74 3.7 Telepass, (www.autostrade.it) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 3.8 Metro : Negozio del Futuro, (www.mondorfid.it) . . . . . . . . 78 3.9 Infosat, (www.progettoinfosat.it) . . . . . . . . . . . . . . . . 79 3.10 Architettura generale del sistema di monitoraggio wireless del traffico, (www.wisygeo.com) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 3.11 Schema sistema di monitoraggio del carico, ((www.allix.it)) . . 85 3.12 Schema rappresentativo della struttura di comunicazione e gestione dati, (www.allix.it) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 4.1 Integrazione della Z-Sim, (www.telecomitalia.it) . . . . . . . . 87 4.2 Sim con nodo ZigBee Integrato, (www.telecomitalia.it) . . . . 88 4.3 ZigBee Gatway Integrato su terminale, (www.telecomitalia.it) 90 4.4 Scenari Dâ''uso, (www.telcomitalia.it) . . . . . . . . . . . . . . . 92 4.5 Acquisto Assistito, (www.telecomitalia.com) . . . . . . . . . . 93 4.6 Cardio GPS, (http://www.slideshare.net) . . . . . . . . . . . . 94 4.7 Scenario Applicativo, (www.slideshare.net) . . . . . . . . . . . 96 4.8 Servizio di Fitness Trainig, (www.telecomitalia.it) . . . . . . . 97 Capitolo 1 Reti di sensori Wireless Il panorama delle tecnologie wireless diventa sempre pi` u vasto, tanto che anche gli organi di standardizzazione come lâ''IEEE, Istitute of Electrical and Electronics Engineers hanno suddiviso il ramo delle comunicazioni wireless in molteplici gruppi di studio. Prima di descriverli pi` u in dettaglio ` e opportuno suddividere le reti di comunicazione (cablate e wireless) in base alla loro estensione. Come si pu` o vedere in figura 1.1 mostrata a fine paragrafo, esse possono essere denominate: â'¢ BAN:Body Area Network, ossia reti limitate ad una decina di metri dal corpo dellâ''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 nellâ''ambito biomedicale (monitoraggio mediante sensori del battito cardiaco), in combinazione con dispositivi che possano interfacciarsi a reti pi` u vaste (ad esempio, cellulari). â'¢ 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 ` e di una deci- na di metri o poco pi` u. Rientrano in queste reti le tecnologie (come Bluetooth) per collegare computer portatili, cellulari e PDA (Personal 1 2 1. Reti di sensori Wireless Digital Assistant). Fa parte di questa categoria anche la tecnologie che verr` a descritte nel corso della tesi. â'¢ Lan: Local Area Network Reti locali, inizialmente nate in ambito cabla- to (con Ethernet principalmente) e poi sviluppatesi anche in ambiente wireless. Forse la tecnologia piu diffusa o conosciuta ` e WiFi (Wireless Fidelity). La copertura di queste reti ` e di qualche centinaio di metri e rispetto alle precedenti comincia a 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. â'¢ 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. â'¢ WAN: Wide Area Network Macro reti a livello mondiale, via cavo o su link satellitari. Rappresentano il cuore della rete Internet. Questa suddivisione risulta necessaria per capire lâ''ambito in cui si inseriscono le reti di sensori wireless WSN, Wireless Sensor Networks. Il raggio dâ''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 capacit` a di elaborazione. Si possono quindi circoscrivere tutte le reti di sensori alle reti di tipo PAN. 1.1 Gli elementi di una WSN 3 Figura 1.1: Suddivisione delle reti, (www.dei.unipd.it) 1.1 Gli elementi di una WSN Quando si utilizza la parola [1]sensore si vuole indicare un dispositivo in grado di tradurre una grandezza fisica (luminosit` a, temperatura etc.) in una grandezza elettrica corrispondente (corrente o tensione). Grazie allâ''evoluzio- ne dellâ''elettronica, i segnali elettrici possono essere acquisiti ed elaborati, in particolar modo sotto forma digitale, per poter fornire delle reazioni oppor- tune agli eventi acquisiti. Le reti di sensori sono [5]costituite da nodi (a volte impropriamente chiamati sensori) intelligenti che possono essere programmati per svolgere delle funzio- ni anche complesse. Le reti di sensori wireless sono reti di tipo data-centric, in cui il fine principale ` e la corretta rivelazione dei dati presenti nellâ''ambien- te operativo. Spesso questi dati vengono aggregati alla rete di provenienza, cosicch` e un evento percepito da pi` u sensori vicini viene visto come unico. Lo stack protocollare delle reti di sensori ` e pi` u 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 4 1. Reti di sensori Wireless le reti Ad-Hoc (non infrastrutturate) composte da computer. La semplicit` a del software installato permette di raggiungere prestazioni pi` u spinte e di interagire direttamente con i moduli hardware dei nodi. Progettare una rete di sensori richiede la valutazione di diversi aspetti tecnologici che possono guidare il progettista ad e effttuare una scelta fra le diverse tecnologie dispo- nibili; alcuni di questi fattori devono essere: tolleranza ai guasti, scalabilit` a, costi produttivi, ambienti operativi, topologia di rete, requisiti hardware, mezzo trasmissivo utilizzato ed infine i consumi. 1.1.1 Nodo Sensore Per comprendere meglio le caratteristiche delle reti di sensori wireless, ` e necessario prima conoscere i singoli componenti che formano la rete, e tali componenti sono i nodi sensori. Un nodo sensore non ` e solo un trasduttore capace di rilevare un determinato fenomeno, ma essendo parte di un rete, deve avere anche le capacit` a di elaborazione. Un generico nodo sensore pu` o essere schematizzato come mostrato nella figura sottostante. Figura 1.2: Architettura del nodo Sensore, (www.dbgroup.unimo.it) 1.1 Gli elementi di una WSN 5 I componenti del sistema sono: â'¢ Microcontrollore: Eâ'' la parte centrale del sistema, nella quale risiede le capacit` a di elaborazione del nodo sensore. Il compito del microcon- trollore ` e la gestione di tutte le periferiche del nodo sensore, tra cui lâ''attivazione dei attuatori, la gestione della comunicazione e dei pro- tocolli di comunicazione. Inoltre deve occuparsi anche della gestione ed elaborazione dei dati rivelati dai sensori/attuatori. Ci sono varie soluzioni che si possono adottare per implementare il microcontrollore, una di queste ` e di usare un processore general-purpose programma- bile, questa soluzione ha il vantaggio della flessibilit` a del nodo, nella scelta dei processori ` e necessario ricordare che una delle caratteristiche principali dei processori usati per questo compito ` e il basso consumo di energia. Unâ''altra delle soluzioni possibile ` e lâ''uso di un Application- Specific Integrated Circuit 1, lo svantaggio di questa soluzione ` e che non ` e flessibile, in quando un ASIC non ` e programmabile. La perdita della flessibilit` a in questo caso si traduce in un elevato grado di efficienza del dispositivo sia in termini di velocit` a computazionale, sia in termini di consumo di potenza, in quanto il dispositivo ` e ottimizzato per le operazioni specifiche che deve svolgere. â'¢ Sensori e/o attuatori: Sono lâ''interfaccia del nodo sensore con il mon- do fisico, e sono i trasduttori usati nel nodo sensore. Un trasduttore ` e un dispositivo, generalmente elettrico o elettronico, in grado di trasfor- mare un tipo di energia legato ad una determinata grandezza in segnali elettrici (sensori) o viceversa (attuatori). Questo dispositivo svolge un ruolo fondamentale nel nodo sensore in quanto serve per rilevare i fe- nomeni interessati. Il trasduttore influenza in modo significato il costo del dispositivo, le sue dimensioni e il consumo del sensore. In un nodo sensore possono essere presenti uno o pi` u trasduttori. 1Circuito integrato creato appositamente per risolvere unâ''applicazione di calcolo ben precisa. 6 1. Reti di sensori Wireless â'¢ Modulo ricezione e trasmissione: Questo modulo si occupa del- la comunicazione tra i nodi sensori. La comunicazione pu` o avvenire attraverso vari sistemi o mezzi di trasmissione, come spiegato nel pa- ragrafo precedente. Nei sensori wireless il mezzo di trasmissione pi` u usato ` e la radio frequenza, le portanti generalmente impiegate per le WSN variano da 433MHz a 2.4GHz, a seconda della scelta progettuale. â'¢ Modulo di alimentazione: Uno dei vantaggi delle WSN `e lâ''assenza dei cavi, il che significa che i nodi sensori non possono ricevere energia attraverso un cavo di alimentazione durante il loro normale funziona- mento. Quindi, ogni nodo sensore deve essere dotato di un modulo di alimentazione, che gli fornisca energia necessaria per il funzionamento, in modo autonomo. Il modulo di alimentazione pu` o essere semplice- mente una batteria che consente al nodo di funzionare per un periodo di tempo, o per i nodi pi` u costosi, anche un pannello solare, di dimen- sioni contenute, in grado di fornire energia necessaria. Ovviamente il fatto di poter avere un generatore elettrico interno ` e molto comodo, ma non bisogna dimenticare che ci` o incide molto sui costi dei nodi sensori e sulla loro dimensione. â'¢ Memoria: Per le elaborazioni complesse `e necessario avere un dispo- sitivo in grado di memorizzare i dati, sia di rilevamento sia le infor- mazioni scambiate con gli altri sensori. Quindi ` e ovvia lâ''importanza di avere una memoria allâ''interno del nodo. Questa memoria pu` o esse- re una RAM, che ha per` o lo svantaggio di perdere le informazioni se viene spento, o le memorie flash che mantengono le informazioni anche quando non sono alimentati, la scelta ovviamente ricade sulla memoria che consuma di meno. Ma ` e necessario considerare tutti gli aspetti, per quanto riguarda la RAM, non ` e possibile togliere lâ''alimentazione durante i periodi in cui non la si usa, ma ha il vantaggio di essere pi` u veloce di una flash. Mentre la flash, ha tempi di accesso pi` u lunghi, questo significa un maggiore consumo di potenza durante lâ''uso, per non 1.2 Tolleranza ai guasti 7 parlare del consumo delle flash sui cicli di scrittura. Quindi ` e necessa- rio valutare attentamente lâ''uso della memoria, allâ''interno del nodo per scegliere la tipologia di memoria da usare. 1.2 Tolleranza ai guasti I nodi sono intrinsecamente soggetti a guasto, a maggior ragione se uti- lizzati in ambienti ostili come deserti o campi di battaglia. Una rete WSN deve poter funzionare anche se lâ''attivit` a 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 di- versi in funzione dello scenario applicativo: se il campo ` e quello industriale o medico il guasto deve essere riparato obbligatoriamente, nel monitoraggio ambientale si possono tollerare dei ritardi o dei malfunzionamenti. 1.3 Scalabilit` a Il numero di nodi sensore che ` e possibile individuare in unâ''area coperta da WPAN, che ricordiamo pu` o arrivare ad una decina di metri, ` e 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 densit` a nellâ''ordine dei venti dispositivi per metro quadrato. Una densit` a cos`Ä± elevata deve essere tenuta in considerazione per garantire il corretto funzionamento della rete stessa. Inoltre si dovr` a 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 pi` u semplicemente nelle scarpe o negli occhiali. Risulta quindi evidente che il cambiamento di posizione di una sola persona allâ''interno di una stanza porta 8 1. Reti di sensori Wireless al cambiamento di posizione di molti nodi sensore. Lâ''utilizzo di molti nodi vicini lâ''un lâ''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, pu` o sfruttare dei canali di comunicazione con minor traffico o meno affetti da disturbi). 1.4 Costi Produttivi Uno dei vantaggi dellâ''uso di Reti di Sensori Wireless ` e la possibilit` a di uti- lizzare un numero molto elevato di nodi. Affinch` e 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 eco- nomico. La tecnologia allo stato dellâ''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, dallâ''elettronica di condizionamento del segnale ed infine dalle unit` a di calcolo. Il progetto di uno sensore intelli- gente deve quindi essere guidato dalle particolari richieste dellâ''applicazione, scegliendo i componenti che garantiscano le specifiche di progetto, ma che al contempo rispettino le disponibilit` a di budget. 1.5 Ambienti Operativi 9 1.5 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 pu` o prescindere dal contesto allâ''interno del quale dovr` a essere utilizzato, in particolare si deve prevedere un package in grado di sopportare le condizioni di temperatura, pressione, vibrazione e accelerazione tipiche dellâ''ambiente dâ''impiego. Tutto ci` o deve essere fatto alla luce di due parametri gi` a indicati: la tolleranza ai guasti ed il contenimento dei costi. 1.6 Topologia di Reti Gli aspetti inerenti alla topologia delle reti di sensori wireless possono essere studiati sotto due diversi aspetti: il primo aspetto e la topologia di rete in termini di posizione reciproca dei diversi dispositivi (topologia fisica), mentre il secondo aspetto definisce le diverse tipologie di rete da un punto di vista funzionale, secondo le possibilit` a di comunicazione fra i diversi nodi (topologia logica). Per quel che concerne il posizionamento fisico dei dispo- sitivi ` e opportuno ricordare che uno dei vantaggi delle reti wireless risiede proprio nellâ''estrema libert` a con la quale si possono collocare i nodi sensore. Anche nodi sensore essenzialmente statici, cio` e posti in posizioni precise che non evolvono nel tempo, sono soggetti al problema dello spegnimento a cau- sa della mancanza di energia: questi dispositivi contribuiscono allâ''evoluzione della topologia di rete. Infine, ` e opportuno ricordare che un altro vantaggio delle WSN ` e la scalabilit` a, raggiungibile con lâ''aggiunta di nuovi dispositivi, con conseguente cambiamento della topologia di rete. Tutte le osservazioni fatte portano a valutare lâ''utilizzo di â'topologie funzionali di reteâ' e di pro- tocolli di routing (protocolli di instradamento) che garantiscano lâ''affidabilit` a della rete anche in corrispondenza di continui cambiamenti di posizione dei nodi e/o allâ''aggiunta/rimozione dei nodi stessi. In prima approssimazione ` e possibile classificare le topologie di rete in tre diversi gruppi: reti a stella, 10 1. Reti di sensori Wireless reti mesh o peer to peer (tutti i nodi hanno le stesse potenzialita) ed infine reti ad albero che vedreme dettagliatamente nel paragrafo successivo. 1.6.1 Tipologie di Nodi Eâ'' possibile distinguere i nodi allâ''interno della rete in due tipologie di nodi: â'¢ Nodi sorgenti, la sua funzione `e di fornire le informazioni rilevate; â'¢ Nodi destinazione o coordinatore, ha il compito di raccogliere le infor- mazioni rilevati. Il nodo destinazione pu` o essere: â'¢ Un dispositivo diverso dai nodi sensori, ma che fa parte della rete; â'¢ Un dispositivo uguale ai nodi sorgenti, ma con il compito di raccoglie- re le informazioni rilevate dagli altri nodi, ovviamente anche il nodo destinazione pu` o avere la funzione di nodo sorgente; â'¢ Un dispositivo esterno che non fa parte della rete. Figura 1.3: Tipologie del nodo Sensore, (www.dbgroup.unimo.it) 1.7 Requisiti Hardware 11 1.7 Requisiti Hardware Solitamente ogni tipo di nodo wireless deve possedere questi sottosistemi: 1.7.1 Sistemi di Sensori Insieme di alcuni sensori intesi come semplici trasduttori. Si possono accorpare in questo sistema i relativi convertitori analogico-digitale, (Analog to Digital Converter ) indispensabili per interfacciare il mondo analogico dei sensori con il mondo digitale della trasmissione numerica. 1.7.2 Sistemi di Controllo Comprende i vari bus di comunicazione, le memorie (integrate, tipicamen- te Flash) e soprattutto il processore (solitamente a basso consumo energetico) che si occupa di gestire gli altri sottosistemi. 1.7.3 Sistemi di Comunicazione Si intende un sistema di tipo wireless, ossia non cablato. Esistono varie opportunit` a di comunicazione senza fili: comunicazione ottica (tipicamen- te infrarosso), che necessita della Line Of Sight (LOS), ossia dell` a visibilit` a ottica diretta tra trasmettitore e ricevitore, comunicazione audio e comuni- cazione radio. Questâ''ultima ` e sicuramente la pi` u versatile e diffusa perch` e non necessita di visibilit` a diretta e perch` e esistono trasmettitori e ricevitori molto efficienti anche dal punto di vista energetico. 1.7.4 Sistema di Alimentazione Parlando di nodi wireless, risulta evidente che lâ''energia necessaria al loro funzionamento non pu` o 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 ` e possibile cambiare le batterie 12 1. Reti di sensori Wireless spesso). Ecco perch` e uno dei punti chiave dellâ''elettronica e dei protocolli per WSN ` e il risparmio energetico e il basso consumo. Importanti sono anche le tecniche di Energy Scavenging â'spazzare energiaâ', che permettano di raccogliere energia dallâ''ambiente per mezzo di celle fotovoltaiche o sistemi meccanici per lo sfruttamento dellâ''energia cinetica. 1.8 Canale Radio 13 1.8 Canale Radio Le bande ISM (Industrial, Scientific and Medical) [1]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 301 498-1, ETSI EN 300 328-1 V1.3.1 per lâ''Europa, FCC CFR 47 per Usa e Canada e ARIB STD-T66 per il Giappone; altri stati hanno delle normative locali che per` o consentono lâ''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 di- spositivi dai costi e dalle dimensioni contenute. Ci` o 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 pi` u la banda dei 2.4 GHz. Le bande ISM sono svincolate dallâ''utilizzo di un particolare standard di co- municazione, consentendo quindi al progettista ampia libert` a nellâ''implemen- tazione di tecniche di risparmio energetico, fondamentali nelle reti di sensori. Dâ''altro canto vi sono diverse limitazioni inerenti la potenza di uscita delle tra- smissioni radio, dovute a ragioni legislative. Per minimizzare lâ''inquinamento elettromagnetico, le potenze tipicamente consentite (al connettore dâ''antenna del trasmettitore) allâ''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. 14 1. Reti di sensori Wireless 1.9 Consumi Come analizzato nel paragrafo dei requisiti hardware, ciascun nodo sen- sore deve impiegare delle piccole unit` a di potenza. Alcuni ambienti rendono la sostituzione delle unit` a di potenza irrealizzabile. In una rete multi-hop (multi-salto) ciascun nodo riveste il doppio ruolo di sorgente dellâ''informazione ` e â'ripetitoreâ' dellâ''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 necessit` a di â'reinstradareâ' i pacchetti in modo corretto. Scopo principale di un sensore wireless ` e la misurazione di una grandezza fisica, lâ''elaborazione dellâ''informazione stessa ed infine la comunicazione del- lâ''informazione. Risulta quindi conveniente analizzare i consumi di un sensore wireless divi- dendoli in questi tre domini temporali. Il consumo durante lâ''attivit` a di trasduzione dipende in maniera sostanziale dal tipo di applicazione: la corretta rilevazione di una grandezza fisica dipen- de, oltre che dal tipo di grandezza in gioco, anche dal sistema di trasduzione, dal rumore di fondo che perturba la misura e dallâ''elettronica di condiziona- mento necessaria. Per questi motivi risulta difficile definire delle strategie generali che consentano la diminuzione dei consumi. Lâ''attivit` a di comunicazione risulta essere sicuramente la pi` u onerosa in ter- mini di consumi, in quanto un nodo, per trasmettere lâ''informazione, deve mantenere attivo lâ''ascolto sul canale radio per verificare che lâ''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. Lâ''elettronica impiegata allâ''interno dei trasmettitori e ricevitori richie- de 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, 1.9 Consumi 15 cos`Ä± come i tempi necessari alla commutazione fra le attivit` a di ricezione e trasmissione, possono addirittura divenire la componente dominante dei consumi, nel caso di pacchetti di informazione molto â'piccoliâ'. 1.9.1 Consumi di un nodo sensore Uno dei principali vincoli progettuali di un nodo sensore wireless o dei sistemi che usano le reti di sensori wireless, poichÂ´ e non pu` o ricevere lâ''alimen- tazione da un cavo riguarda il consumo del dispositivo, il quale influenza il tempo di vita del nodo sensore, e quindi la stabilit` a della rete di sensori, in quanto la â'morteâ' di alcuni nodi sensori possono modificare il maniera significativa il funzionamento della rete. In un nodo sensore, il consumo energetico pu` o essere determinato da tre principali funzioni: â'¢ Il rilevamento dei dati dallâ''ambiente; â'¢ Lâ''elaborazione dei dati rilevati o ricevuti; â'¢ Comunicazione con gli altri dispositivi della rete, questa `e lâ''operazione in cui il consumo di energia ` e maggiore. 16 1. Reti di sensori Wireless 1.10 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 mol- teplici campi di applicazione per queste tecnologie. Una prima suddivisione pu` o essere fatta in base alla finalit` a della rete. Di seguito si riportano una serie di macro-settori in cui ` e possibile dividere il mondo delle WSN. 1.10.1 Monitoraggio Questo tipo di rete viene utilizzata per tracciare in maniera continuati- va una certa grandezza. La sorgente da monitorare pu` o 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. 1.10.2 Riconoscimento di Eventi Unâ''altro importante scenario applicativo risulta essere lâ''event detection: la rete deve accorgersi di situazioni di â'allarmeâ', ossia di quando una de- terminata grandezza esce dai livelli stabiliti. Questo monitoraggio ` e poten- zialmente meno pesante del precedente a livello energetico, in quanto il nodo entra in uno stato attivo solo in casi eccezionali. 1.10.3 Classificazione di oggetti Lâ''obiettivo di queste reti ` e il riconoscimento di alcune grandezze tra un insieme di prototipi noti. Questo implica un carico computazionale superiore agli altri tipi di rete. 1.10 WSN: Scenari Applicativi 17 1.10.4 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. 1.10.5 Applicazioni Ambientali Uno dei campi di maggior utilizzo delle WSN ` e il monitoraggio ambienta- le. Con lâ''avanzare dellâ''industria e degli agenti inquinanti diventa essenziale controllare aree geografiche molto estese, soprattutto a ridosso dei centri abitati, per valutare lâ''impatto ambientale di alcune scelte umane. Un al- tro ambito dâ''interesse ` e lo studio di zone pericolose, come vulcani o zone a rischio sismico in questo caso si pu` o intendere quanto importante sia moni- torare con lâ''ausilio delle WSN delle aree senza alcun rischio per lâ''uomo. Gli studi scientifici su flora e fauna si possono avvalere di una rete di monitorag- gio ambientale: questo porta anche nellâ''agricoltura unâ''ulteriore rivoluzione tecnologica, permettendo di controllare un certo tipo di coltura e intervenire in tempo reale con trattamenti opportuni per debellare insetti o situazio- ni critiche. Potenzialmente la rete di sensori pu` o 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 ` e il vincolo principale poich` e spesso non ` e possibile sostituire frequentemente le batterie. Proprio in questo ambito si stanno sviluppando le tecniche di energy scavenging per trarre dallâ''ambiente la fonte di energia. 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 pi` u repentini (ad esempio sismici o tellurici) avvengono su scale di minuti od ore. La topologia che pi` u si adatta a questi scopi ` e una rete distribuita di tipo Ad-Hoc, ossia senza infrastrutture prestabilite. Inoltre la connettivit` a della rete deve essere di tipo magliata (mesh), permettendo pi` u vie di comu- 18 1. Reti di sensori Wireless nicazione multi-hop (i nodi intermedi tra sorgente e destinazione fungono da ponte) e una certa ridondanza nella rete (lâ''ambiente outdoor spesso presenta ostacoli quali rocce o montagne che impediscono la comunicazione diretta tra sorgente e destinazione). Nel monitoraggio di una determinata area geo- grafica spesso perde di significato lâ''indirizzo esatto della sorgente, perch` e i dati provenienti da una sottorete vengono aggregati, perdendo la necessit` a di conoscere la sorgente precisa. 1.10.6 Applicazioni Mediche Una delle applicazioni pi` u delicate ` e sicuramente il monitoraggio biomedi- cale. Lâ''utilizzo di WSN allâ''interno di ospedali pu` o essere un valido supporto per seguire costantemente alcuni parametri fisiologici dei pazienti e rendere pi` u essibili e portabili alcuni macchinari. Ma questo scenario ` e solo il pri- mo passo verso una rete di sensori molto piccoli e distribuiti allâ''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(soprattutto per attivit` a ginniche), magari integrati in orologi da polso o bracciali appositi che rilevino il battito cardiaco o le calorie bruciate durante lâ''attivit` a. 1.10.7 Applicazioni militari Direttamente collegate alle applicazioni mediche sono quelle militari. Lo sviluppo di speciali tute (anche nellâ''ambito astronautico) che integrino sen- sori di pressione e temperatura per verificare lo stato di salute dei militari ` e un ambito di ricerca molto attivo. Speciali nodi potrebbero riconoscere attacchi chimici o batteriologici e valutare lo stato di unâ''intera area evitando di esporre vite umane a rischi inutili. Da notare che le tecnologie ora ampia- mente utilizzate, quali la trasmissione a spettro espanso, sono nate in ambito militare per garantire robustezza allâ''interferenza e una bassa probabilit` a di intercettazione (bassi livello di potenza e codici di spreading che rendono il 1.10 WSN: Scenari Applicativi 19 segnale indecifrabile a chi non li conosca). La rete wireless, potenzialmente pi` u esposta a attacchi, grazie alla ridondanza e ad una topologia di tipo mesh garantisce comunque la funzionalit` a anche nel caso che qualche nodo venga distrutto. 1.10.8 Applicazioni domotiche Tutti gli elettrodomestici pi` u moderni hanno unâ''elettronica molto evoluta e il futuro consiste nellâ''interazione tra i vari elettrodomestici. Lâ''unit` a di con- trollo di questi dispositivi permette funzioni sempre pi` u avanzate, aprendo uno scenario in cui i vari elettrodomestici possano collaborare autonoma- mente per gestire in maniera efficiente le faccende domestiche. La chiave per questo ` e la possibilit` a di comunicare: sicuramente la tecnologia dovr` a essere di tipo wireless. Unâ''altra applicazione importante ` e la gestione del riscaldamento, della ventilazione e dellâ''illuminazione. Lâ''uso di sensori wire- less riduce i costi di installazione e rende molto meno invasiva la modifica di sistemi esistenti (si pensi alla necessit` a di forare le pareti, con la tecnologia wireless questo non ` e pi` u necessario). 1.10.9 Applicazioni Commerciali In questa categoria rientrano molti scenari diversi. Sicuramente alcuni fra i pi` u interessanti sono: ambiente automotive (utilizzo delle WSN su auto- mobili), antifurto intelligenti e versatili, servizi allâ''interno di musei o scuole (localizzazione di persone o oggetti). Nellâ''ambito automobilistico si intende sia un monitoraggio del traffico sia strumenti di navigazione autonoma, anche se per questi ultimi il livello di affidabilit` a necessario ` e molto elevato, superiore a quello ottenibile attual- mente. 20 1. Reti di sensori Wireless 1.10.10 Applicazioni industriali Un settore molto interessante per le WSN, ` e lâ''automazione industriale e il monitoraggio in ambiente industriale. Le reti utilizzate in questi ambienti sono relativamente statiche e gerarchiche, ma hanno dei vincoli di adattabi- lit` a e prestazioni molto pi` u 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). Capitolo 2 Lo Standard IEEE 802.15.4 Il mondo delle reti di sensori Wireless ` e molto vasto e sino ad ora molti gruppi di studio unversitari e commerciali, hanno creato di forgiare nuovi standard. Sebbene esistono una miriade di tecnologie e proposte differenti, lâ''attenzione inevitabilmente cade sugli standard pi` u affermati. Una questione di primaria importanza ` e se si possono utilizzare le WSN dei sistemi basati su IEEE 802.11, la cui controparte commerciale ` e nota come Wi-Fi, o su IEEE 802.15.1, (controparte commerciale) bluetooth. La filosofia di base di entrambe le soluzioni deve essere pesantemente modificata per adattarsi alla necessit` a delle WSN. Wi-Fi ` e stato creato come sostituto wireless della LAN ed eredita in pieno lâ''architettura e lo stack TCP/IP tipico di internet. Eâ'' una tecnologia versa- tile, in quanto fornisce prestazioni elevate e una piattaforma aperta su cui installare degli applicativi arbitrari. Per contro non gestisce alcun tipo di ri- sparmio energetico e si presenta come una soluzione pesante per una rete di sensori wireless. Si nota fin da subito che lâ''utilizzo di tutto lo stack TCP/IP rallenta il sistema, in quanto gi` a gli stessi header dei protocolli portano ad avere pacchetti molto grandi e politiche di gestione (e routing) complicate. Un discorso analogo e complementare pu` o essere fatto per Bluetooth: questa tecnologia risulta pi` u snella, ma ha il limite fondamentale della mancanza di risparmio energetico e soprattutto limita le sottoreti ad un massimo di 21 22 2. Lo Standard IEEE 802.15.4 sette nodi, contravvenendo al requisito di scalabilit` a. In letteratura esisto- no studi su entrambi i sistemi applicati allâ''ambito delle reti di sensori ma la via pi` u promettente appare lâ''utilizzo di protocolli dedicati creati ex-novo per le esigenze delle WSN. Come in tutti gli altri ambiti delle comunicazioni digitali, anche in quello delle WSN ogni ente di standardizzazione interna- zionale propone i propri sistemi e protocolli. In questa tesi verra esposto lo standard creato da un sottogruppo dellâ'' IEEE(Istitute of Electrical and Electronics Engineers)1 Il gruppo 802.15 dellâ''IEEE si occupa delle WPAN Wireless Personal Area Network, ossia delle reti personali wireless, con rag- gio di azione di una decina di metri. Il comitato dellâ''IEEE 802.15.4 a sua volta suddiviso in base al bit-rate2 e alle prestazioni dei dispositivi da pro- gettare. Oltre allâ'' 802.15.1 (cui afferisce ad esempio lo standard alla base di Bluetooth) e allâ''802.15.3, che si occupa di comunicazioni a impulsi o UWB3 (Ultra Wide Band) ad alti bit-rate, esiste il TG4 (o Task Group 4) che si occupa delle WPAN a basso bit-rate. Uno delgli standard pi` u promettenti e utilizzati ` e proprio lâ''IEEE 802.15.4, approvato nel 2003 e quindi divenuto standard a tutti gli effetti. 2.1 ZigBee Le reti di tipo ZigBee iniziarono ad essere studiate nel 1998, quando molti ingegneri si resero conto che sia WiFi che Bluetooth non riuscivano a rispon- dere alle necessit` a di nuove applicazioni che non richiedevano un aumento della velocit` a di trasferimento, benssi una semplificazione della tecnologia, dei consumi ridotti e una capacit` a della rete radio digitale ad hoc di autoor- ganizzarsi. La prima specifica ZigBee ` e stata approvata il 14 dicembre 2004 1Associazione internazionale di scienziati professionisti con lâ''obiettivo della promozione delle scienze tecnologiche. 2Velocit`a di trasmissione, indica la quantit`a di dati che possono essere trasferiti, attraverso una connessione su un canale, in un dato periodo di tempo. 3Tecnologia sviluppata per trasmettere e ricevere segnali mediante lâ''utilizzo di impulsi di energia in radiofrequenza di durata estremamente ridotta. 2.1 ZigBee 23 ed ` e disponibile a tutti i membri della ZigBee Alliance, un consorzio forma- to da pi` u di 200 grandi aziende tra cui (Philips, Samsung, Siemens e Texas Instruments). La ZigBee Alliance Alleanza commerciale simile a Bluetooth ` e nata come alleanza tra vari eventi commerciali e accademici mirata allo sviluppo di uno stack di protocolli per automazione e applicazione di con- trollo remoto. Dopo poco tempo anche un comitato dellâ''IEEE, 802.15.4, si ` e interessato a questi argomenti cosicch` e dalla loro unione ` e nato il protocol- lo commerciale ZigBee. Le finalit` a di questo prodotto possono cos`Ä± essere riassunte: â'¢ Bassi bit-rate. â'¢ Bassi consumi di energia. â'¢ Bassi costi. Solitamente i due nomi vengono erroneamente utilizzati come sinonimi, in- fatti ZigBee e IEEE 802.15.4 sono complementari. Analizzando lo stack ISO/OSI di questo sitema, IEEE 802.15.4 si occupa di fornire i primi due li- velli, Mac (Medium Access Control) e il PHY Physical Layer mentre ZigBee specifica i livelli superiori, a partire dal livello di Network fino al livello di Applicazione. I dispositivi ZigBee si inseriscono in un segmento di ricerca e di mercato diverso da Bluethooth. ZigBee ` e una tecnologia per reti wireless a basso bit-rate, potenzialmente molto estesee costituite da nodi che abbiano unâ''autonomia energetica di mesi o di anni. Le tipologie di rete permesse sono molteplici e i dispositivi hanno un raggio di copertura di 10-75m (distanze maggiori vengono coperte mediante tecniche di mult-hop, saltando di nodo in nodo). 24 2. Lo Standard IEEE 802.15.4 2.2 Specifiche dello Standard La [6]standardizzazione si spinge fino a livello applicativo, definendo pro- fili applicativi specifici che garantiscono lâ''interoperabilit` a tra produttori di- versi che possono coesistere con profili privati proprietari. Le sue regole di funzionamento lo rendono un sistema abbastanza robusto in presenza di ru- more, in quanto prima di inviare le informazioni verso il livello fisico queste vengono modulate utilizzando la tecnica del DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum), che prevede la trasmissione di ogni bit secondo una sequenza ridondante. ZigBee opera su frequenze libere della banda UHF (868 e 915 MHz) e ISM (2.4 GHz), con velocit` a di trasmissione dati che arrivano al mas- simo a 250 kbit/s. Essendo una tecnologia di prossimit` a, il raggio di azione non supera le decine di metri su singola tratta (single-hop), ma si estende a chilometri se si sfrutta il â'multi-hopâ', cio` e la possibilit` a di far transitare lâ''in- formazione da un nodo allâ''altro fino al nodo destinazione, che, non trovandosi nel raggio dâ''azione del nodo sorgente, non pu` o essere raggiunto direttamente. Unâ''altra possibilit` a per coprire distanze ampie ` e la possibilit` a di utilizzare per la trasmissione antenne radio amplificate, che permettono di raggiungere un 1 km di distanza in situazioni di Line-of-Sight ; la distanza si riduce in pre- senza di ostacoli, rimanendo comunque nellâ''ordine delle centinaia di metri. Un requisito fondamentale per reti di dispositivi che devono poter operare anche in ambienti esterni, con costi e tempi di manutenzione molto bassi, o essere integrati in sistemi con risorse di potenza limitate, ` e la riduzione del consumo energetico. ZigBee garantisce consumi limitati (dellâ''ordine di qualche decina di m) quando i nodi sono attivi in trasmissione/ricezione e permette modalit` a di risparmio energetico (con consumi minori di 1 mA), in cui il nodo pu` o essere messo in stato dormiente (sleep mode) e risvegliar- si per comunicare. Questo consente di avere tempi di vita dei dispositivi medio-lunghi, che arrivano anche ad alcuni anni per quelle applicazioni in cui il nodo ha un â'tempo di attivit` aâ' (duty cycle) basso: un esempio potreb- be essere una rete di sensori distribuiti sul territorio per il monitoraggio di parametri ambientali, in cui i nodi si risvegliano solo per il tempo necessario 2.2 Specifiche dello Standard 25 alla trasmissione dei campioni prelevati. Figura 2.1: Specifiche dello Standard, (www.telecomitalia.it) 26 2. Lo Standard IEEE 802.15.4 2.3 IEEE 802.15.4 WPAN Lo standard IEEE 802.15.4 ` e stato designato per reti flessibili a basso costo, bassi consumi enrgetici e bassi bit-rate. Viene utilizzato in dispositivi che non richiedono throughput â'traffico utile trasmessoâ' molto spinti e che non possono supportare i requisiti energetici di stack protocollari pesanti â'come ad esempio TCP/IPâ'. 2.3.1 Componenti di una WPAN La flessibilit` a e la scalabilit` a sono garantite anche dal fatto che sono previsti due tipi di dispositivi denominati devices: 1. FFD: Full Function Device, dispositivi con funzionalit` a complete. 2. RFD: Reduced Function Device, con funzionalit` a ridotte. Ogni rete deve includere almeno un FFD Full Function Device operante come cordinatore della WPAN Wireless Personal Area Network. I disposi- tivi FFD possono operare in tre modi, come coordinatori della PAN Personal Area Network, come coordinatori semplici o come devices normali. Gli RFD sono pensati per applicazioni molto semplici che nn debbano spedire grandi quantit` a di dati. Gli FFD possono comunicare con qualsiasi altro nodo, men- tre gli RFD possono dialogare solo con gli FFD: in questo modo si possono realizzare diverse tipologie di rete, che non si limitano a semplici configu- razioni a stella â'Starâ', ma supportano anche reti magliate â'Meshâ' e reti a tipologia mista Cluster Treeâ', in cui sottoreti a stella (un FFD che coordina diversi RFD) si interfacciano mediante collegamenti diretti fra FFD. Lâ''in- clusione di terminali RFD allâ''interno della rete ` e orientata per applicazioni estremamente semplici, come interruttori di luce o sensori ad infrarossi, che non necessitano dellâ''invio di grosse quantit` a di dati e possono quindi, essere supportate attaverso minime risorse energetiche e limitate capacit` a di me- moria. Una WPAN ` e costituita da un minimo di due dispositivi operanti in una stessa POS Personal Operating Space, in ciascuna rete, uno solo di 2.3 IEEE 802.15.4 WPAN 27 essi pu` o configurarsi come PAN Coordinatore che si occupa di iniziare, ge- stire e terminare la comunicazione tra le diverse periferiche. In ogni caso, ciascun dispositivo interno alla rete possiede un indirizzo esteso a 64 bit; tale indirizzo pu` o essere direttamente utilizzato per la comunicazione oppure, in alternativa, si utilizza un indirizzo ridotto, attribuito dal PAN coordinatore ogni volta che il dispositivo viene da esso rilevato. 28 2. Lo Standard IEEE 802.15.4 2.4 Topologie di rete dello standard ZigBee Spesso, al fine di fornire i dati da un capo della rete ad un altro, un pacchetto viene trasmesso diverse volte dai router intermedi. Tale procedu- ra richiede lâ''utilizzo di un meccanismo intelligente di routing che genera la scoperta del percorso che dipende dalla topologia della rete. I tre tipi di rete che fornisce lo ZigBee sono: â'¢ Rete a Stella. â'¢ Rete ad Albero. â'¢ Rete Mesh. Un coordinatore ZigBee sar` a responsabile di inizializzare, mantenere e con- trollare la rete. Figura 2.2: Tre Topologie di rete, (www.microwatt.co.uk) 2.4 Topologie di rete dello standard ZigBee 29 Topologia a stella In questa topologia tutti gli elementi della rete dipendono da un coor- dinatore e dialogono direttamente con esso. Spesso il coordinatore viene alimentato da rete elettrica mentre gli altri dispositivi sono alimentati a bat- teria. Figura 2.3: Topologia a Stella, (www.microwatt.co.uk) Un FFD viene eletto coordinatore della rete e fornisce il controllo di quel- lâ''insieme di dispositivi, rendendo la rete indipendente dalle altre potenzial- mente esistenti. Ogni device vede solo il coordinatore e per dialogare con altri device deve passare attraverso di esso. Tutte le reti a stella operano indipendentemente dalle reti simultaneamente attive, in quanto ciascuna di esse ` e contraddistinta da un identificatore PAN scelto dal coordinatore, in maniera tale da evitare conflitti con reti gi` a precedentemente stabilite entro il proprio spazio operativo. La topologia a stella non richiede alcun algoritmo di routing in quanto si passa sempre dal coordinatore. 30 2. Lo Standard IEEE 802.15.4 Topologia Cluster Nella rete ad albero, i devices possono comunicare con tutti gli altri tra- mite il multi-hop in modo che i nodi che non sono in diretta visibilit` a radio possano comunque comunicare tra di loro secondo il paradigma store - for- ward. Il terminale di ciascun utente quindi svolge sia il ruolo di host che di router; di fatto, si crea una rete â'collaborativaâ' in cui, se un nodo vuole comunicare con un altro ma non ` e possibile una comunicazione radio diretta tra i due, magari per qualche ostacolo o per la distanza, un altro nodo che si trovi in una posizione intermedia si fa carico di inoltrare i messaggi tra il mittente e il destinatario. Figura 2.4: Topologia Cluste-Tre, (www.microwatt.co.uk) 2.4 Topologie di rete dello standard ZigBee 31 La parte principale della rete ` e formata da un coordinatore ZigBee e un numero variabile di router ZigBee. I nodi RFD possono unirsi alla rete come devices finali associandosi con un coordinatore o un router. In una rete ad albero, il coordinatore e i router possono annunciare dei beacon. Le caratteristiche di auto-configurabilit` a e lâ''auto adattabilit` a permettono alla rete di modificarsi al variare delle condizioni operative e di autoconfigurar- si, scegliendo dinamicamente i nodi e gestendone la connettivit` a, a seconda dellâ''ambiente applicativo. Anche questa topologia non necessita di algoritmi di routing specifici. Tuttavia ` e poco affidabile, perch` e se cade uno dei rou- ter della rete, tutta la sua sottorete sarebbe esclusa dalla comunicazione e dovrebbe ripetere lâ''operazione di inserimento. 32 2. Lo Standard IEEE 802.15.4 Topologia Mesh Questa topologia di rete offre una dinamicit` a maggiore ed ` e indicata per reti di grosse dimensioni. Lâ''utilizzo di tipologie magliate permette di mas- simizzare lâ''affidabilit` a complessiva della rete, garantendo la possibilit` a di distribuire lâ''informazione su percorsi diversi. Inoltre, attraverso il processo di trasferimento dellâ''informazione â'hop-by-hopâ' tra i nodi, ` e possibile arriva- re ad una copertura estesa del territorio anche avendo a disposizione singoli collegamenti a portata limitata. La rete ` e inoltre pi` u affidabile, se un router cade non provoca la caduta di tutta la sua sottorete, ma entrano in gioco algoritmi di re-routing che si accorgono della mancanza di un nodo e rical- colano il percorso migliore per portare a destinazione il messaggio. Questo rende per` o necessari algoritmi di routing specifici. Figura 2.5: Topologia Mesh, (www.microwatt.co.uk) 2.4 Topologie di rete dello standard ZigBee 33 2.4.1 Dspositivi ZigBee Come abiamo accennato sopra, da un punto di vista logico, i dispositivi ZigBee possono essere di tre tipi: 1. Coordinatore. 2. Router. 3. End Devices. Figura 2.6: Esempio dispositivi ZigBee, (www.emcelettronica.com) 34 2. Lo Standard IEEE 802.15.4 ZigBee Coordinator Lo ZigBee Coordinator (ZC) ` e il dispositivo che crea e configura la rete, cercando un canale radio adatto e definendo tra i parametri operativi il PAN ID, cio` e il numero a 16bit usato dai membri della rete per riferirsi ad essa. Una volta avviata la rete si mette in modalit` a coordinatore, per- mettendo o meno a router ed end devices di fare una join alla sua rete. Tra le altre funzioni, agisce come deposito per le chiavi di sicurezza â'trust cen- terâ', ed occasionalmente effettua attivit` a di routing. Lo ZigBee coordinator ` e unico per ogni rete, ne costituisce la radice e pu` o fare da ponte tra pi` u reti diverse. Eâ'' chiaramente un Full Function Device, e dato che non pu` o andare in modalit` a sleep per ottemperare ai suoi mille doveri, deve essere alimentato da rete elettrica. ZigBee Router Lo ZigBee Router (ZR) permette lâ''inoltro dei messaggi aumentando cos`Ä± le distanze di copertura della rete e ha il potere di accettare o meno richieste di join alla rete da parte di altri devices. Ovviamente prima si dovr` a unire a una rete gi` a esistente, chiedendo lâ''autorizzazione al coordinator o a un altro router. Lâ''inoltro dei messaggi avviene attraverso il mantenimento di tabelle di routing dinamiche e sempre aggiornate, in cui lo ZigBee router pu` o memorizzare fino a 20 percorsi diversi. Per ogni rete pu` o esserci pi` u di un router, che per` o essendo un Full Function Device deve essere alimentato da rete elettrica, uno ZigBee router in frequente sleep mode serve a poco. ZigBee End Device Lo ZigBee End Device (ZED) ` e un Reduced Function Device, perch` e le sue funzionalit` a si riducono al dialogare col coordinatore o col router (non pu` o trasmettere/ricevere dati a/da altri ZED). Richiede poca memoria, ha bassi consumi va a batterie e ha costi inferiori rispetto agli altri due tipi di dispositivi. Al contrario di ZC e ZR, la loro presenza in una rete ZigBee non 2.4 Topologie di rete dello standard ZigBee 35 ` e essenziale si possono benissimo realizzare reti con solo un coordinatore e uno o pi` u router. 36 2. Lo Standard IEEE 802.15.4 2.5 Livelli dello Stack ZigBee Come qualsiasi altra tecnologia di comunicazione cablata o wireless, anche ZigBee ` e [6]composta da una pila di protocolli implementati via software o via hardware suddivisa in livelli. A ciascun livello ` e affidato il compito di fornire servizi al livello superiore e di comunicare con quello inferiore. Grazie a questa suddivisione a blocchi si riesce a gestire in maniera pi` u semplice la complessit` a generale del sistema. Lo standard IEEE 802.15.4 definisce il livello fisico (PHY) ed il livello Media Access Control (MAC) , sul quale si innestano il livello Rete e livello Application definiti dalla Zigbee Alliance. Figura 2.7: Architettura ZigBee, (www.swappa.it) 2.5 Livelli dello Stack ZigBee 37 2.5.1 Livello Fisico (PHY) Lo standard IEE802.15.4 appartiene alla classe di tecnologie di tipo Spread- Spectrum. Al contrario dei segnali in Narrow-Band, uno segnale di tipo Spread-Spectrum viene trasmesso su una banda di frequenze che ` e considere- volmente pi` u ampia di quella dellâ''informazione contenuta nel segnale stesso. Tutto ci` o viene fatto o allo scopo di migliorare il rapporto segnale/rumore, eliminando il maggior numero di interferenze. Ci` o consente lâ''utilizzo con- temporaneo della stessa gamma di frequenze a pi` u utenti e permette la coe- sistenza con segnali in Narrow-Band. La tecnica di spreading utilizzata dallo standard 802.15.4 ` e la Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS), che consiste nellâ''utilizzare una sequenza pseudocasuale per modulare la portante e codi- ficare i dati trasmessi. Nel livello fisico dello standard IEEE 802.15.4 sono presenti tre bande di frequenza distinte con 27 canali: 868 MHz, 915 MHZ e 2.4 GHz. Il canale 0 lavora in frequenze tra 868.0-868.6 MHz e permette un data rate pari a 20 kbps. Figura 2.8: Bande di frequenza del livello fisico, (www.dbgroup.unimo.it) 38 2. Lo Standard IEEE 802.15.4 Figura 2.9: Bande di Frequenza e Data-Rate, (www.dbgroup.unimo.it) I canali tra 1 e 10 lavorano in frequenze comprese tra 902.0-928.0 MHz, e ogni canale permette un data rate pari a 40 kbps. I canali tra 11 e 26 sono localizzati nellâ''intervallo di frequenza 2.4-2.4835 GHz, e ognuno di questi permette un data rate pari a 250 kbps. I canali si distinguono per il loro schema di modulazione, infatti i canali 0-10 usano il Binary Phase Shift Keying (BPSK), mentre i restanti (11-26) utilizzano Offset Quadrature Phase Shift keying (O-QPSK). Lâ''utilizzo di bande e Bit-Rate diversi ` e dettato da necessit` a contrastanti: Bit-Rate inferiori portano a schemi di modulazione pi` u 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. Il livello fisico fornisce lâ''interfaccia tra il canale di trasmissione e il livello MAC dello standard e deve fornire le seguenti funzioni: â'¢ Attivazione e spegnimento del trasmettitore. â'¢ Rilevazione dellâ''energia nel canale in uso (Energy Detection ED). â'¢ Rilevamento della qualit` a del collegamento (Link Quality LQ). â'¢ Fornire tutti i servizi svolti alla realizzazione del CSMA-CA. â'¢ La selezione della frequenza di comunicazione. â'¢ Trasmissione e ricezione di dati. 2.5 Livelli dello Stack ZigBee 39 Energy Detection (ED) Lâ''Energy Detection, o rilevamento dellâ''energia sul canale radio, ` e parte integrante dellâ''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 802.15.4. La stima viene effettuata su 8 periodi di simbolo e non vi ` e alcun tentativo di decodifica del segnale a questo livello. Il risultato viene riportato come intero senza segno a 8 bit, da un valore (da 0 a 255 in decimale). Il valore minimo (0) deve indicare una potenza di meno di 10 dB sopra la sensibilit` a del ricevitore. La dinamica della potenza ricevuta stimata dallâ''ED deve essere di almeno 40 dB. Allâ''interno di questo intervallo la mappatura della potenza (in dB) su i valori di ED (interi senza segno) deve essere lineare. Molti chip radio che implementano lo standard possiedono un sottosistema di tipo RSSI Received Signal Strength Indicator che si occupa dellâ''Energy Detection. Molto spesso quindi i due termini possono essere utilizzati quasi come sinonimi. Link Quality Indication La misura LQI â'qualit` a del collegamentoâ', effettuata alla ricezione di un pacchetto, caratterizza il canale radio mediante una stima della qualit` a 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 qualit` a del segnale di tipo IEEE 802.15.4 rilevabile dal ricevitore. Clear Channel Assessment (CCA) Infine e necessario ricordare unâ''altra funzione svolta dal PHY, ossia la stima della disponibilit` a del canale (CCA), indispensabile per implementare gli algoritmi di CSMA-CA per la gestione delle collisioni. Prima di poter avviare una trasmissione, un dispositivo ZigBee deve accertarsi se un altro sta 40 2. Lo Standard IEEE 802.15.4 utilizzando il mezzo radio in quel momento. Esistono tre possibili soluzioni per implementare tale funzione: Energia Sopra la soglia Il CCA riporta lâ''indicazione di mezzo occupato se il livello di energia ricevuto (ED) supera una prestabilita soglia . Rillevamento della portante (Carrier Sense) CCA riporta lâ''indicazio- ne di mezzo occupato solo se rileva un segnale con le stesse caratte- ristiche fissate nel protocollo IEEE802.15.4. Non ` e importante se tale segnale supera oppure no la soglia di energia. Rilevamento della portante con superamento della soglia Si tratta dei due metodi combinati insieme; viene riportata lâ''indicazione di mezzo occupato se viene rilevata la portante e la sua energia supera la soglia. 2.5.2 Livello di Accesso al Mezzo (Mac) Il livello MAC fornisce lâ''interfaccia tra il livello Fisico (PHY) e gli ap- plicativi dei livelli superiori, i quali possono essere unâ''applicazione oppure il livello di Rete in unâ''architettura simile a quella dello stack ISO/OSI. I principali servizi che devono fornire sono: â'¢ Generare i beacon se il dispositivo `e un coordinatore della rete PAN; â'¢ Sincronizzare il superframe nel caso sia un dispositivo RFD o FFD; â'¢ Permettere lâ''associazione e la dissociazione dal coordinatore di PAN; â'¢ Supportare la sicurezza delle comunicazioni; â'¢ Implementare il CSMA-CA per lâ''assegnazione dei canali; â'¢ Creazione e mantenimento del meccanismo GTS; â'¢ Provvedere alla realizzazione del collegamento tra due dispositivi; 2.5 Livelli dello Stack ZigBee 41 Struttura Pacchetti Lo standard IEEE 802.15.4 permette lâ''uso opzionale della struttura di un Superframe. Il formato del superframe ` e definito dal coordinatore della rete PAN ed ` e contenuto tra due messaggi di beacon spediti da questâ''ultimo ad intervalli regolari e programmabili. I beacon contengono informazioni che possono essere usate per il sincronismo dei dispositivi, per lâ''identificazione della rete, per descrivere la struttura dei superframe e per fornire la periodicit` a dei beacon stessi. Il superframe ` e diviso in 16 slot di uguale grandezza, dove il beacon frame ` e trasmesso nel primo slot dâ''ogni superframe. Ogni dispositivo che intende comunicare con il coordinatore della PAN deve attendere la ricezione di due beacon frame successivi, che gli permettono la sincronizzazione col coordinatore stesso. La contesa del canale da parte dei dispositivi che vogliono comunicare avviene nel Contention Access Period (CAP) e pu` o dare origine a collisioni che sono gestite dal Carrier Sense Multiple Access (CSMA-CA), di cui ogni disposi- tivo ` e provvisto, che permette di rilevare se sul canale ci sono altri dispositivi che stanno comunicando. Una prerogativa della struttura a superframe ` e che il coordinatore pu` o assegnare porzioni di tempo a specifici dispositivi che ne abbiano fatto richiesta. Questa assegnazione di slot del superframe, chiamata Guaranteed Time Slot (GTS), offre la possibilit` a ai dispositivi di garantirsi un tempo prefissato di comunicazione col coordinatore PAN, ridu- cendo cosi le collisioni tra pi` u dispositivi che vogliano comunicare. Gli slot di tempo riservati ai dispositivi occupano la parte finale del superframe, che prende il nome di Contention-Free Period (CFP), posizionata consecutiva al Contention Access Period (CAP). 42 2. Lo Standard IEEE 802.15.4 Figura 2.10: Struttura del SuperFrame, (www.webuser.unicas.it) Trasferimento Dati Il trasferimento dati pu` o essere di tre tipologie: 1. Da parte di un dispositivo al coordinatore. 2. Dal coordinatore ad un dispositivo. 3. Tra due dispositivi. Nella rete a stella solo due di queste transizioni possono essere usate perchÂ´ e i dati verrebbero scambiati solo tra coordinatore e dispositivi, mentre in una rete punto a punto i dati possono essere scambiati tra qualsiasi dispositivo facente parte della rete stessa; di conseguenza in questa tipologia di rete tutte le transazioni possono essere effettuate. Il meccanismo per ogni tipo di trasferimento dati, dipende dallâ''abilitazione o meno dei beacon allâ''interno della rete stessa. Una rete gestita con lâ''abilitazio- ne dei beacon ` e usata per supportare dispositivi che richiedono tempistiche a bassa latenza, come le periferiche di un PC, mentre se la rete non ha biso- gno di supportare dispositivi con specifiche particolarmente stringenti, si pu` o scegliere di non usare i beacon per il normale trasferimento di dati. Tuttavia la presenza dei beacon ` e sempre richiesta per lâ''associazione della rete. 2.5 Livelli dello Stack ZigBee 43 Trasferimento Dati da parte di un Dispositivo al Coordinatore , Questa tipologia di trasferimento si ha nel caso in cui ci sia un dispositi- vo che debba comunicare dei dati al coordinatore della rete PAN. Nel caso la rete sia beacon abilitata per il trasferimento dati, appena il dispositivo rileva il beacon spedito dal coordinatore si sincronizza con il superframe e spedisce i suoi dati negli istanti appropriati dettati dal superframe stesso. Il coordina- tore PAN, una volta ricevuto il pacchetto da parte del dispositivo, invia un pacchetto (opzionale) di riconoscimento (ACK), concludendo la trasmissione. Nel caso si fosse in una rete non beacon abilitata, il dispositivo attraverso il Figura 2.11: Sequenza di Trasferimento Dati, (www.webuser.unicas.it) CSMA-CA ascolta il canale ed appena lo trova libero spedisce i suoi dati al coordinatore. Il coordinatore PAN, una volta ricevuto il pacchetto da par- te del dispositivo, invia un pacchetto (opzionale) di riconoscimento (ACK), concludendo la trasmissione. Questâ''altra sequenza ` e riassunta in Figura . 44 2. Lo Standard IEEE 802.15.4 Figura 2.12: Rete non Beacon Abilitata,(www.webuser.unicas.it) Trasferimento dati dal coordinatore al dispositivo Questa tipologia di trasferimento dati si ha nel caso il coordinatore del- la rete PAN debba comunicare dei dati ad un dispositivo. Nel caso la rete sia beacon abilitata per il trasferimento dati, appena il dispositivo rileva il beacon spedito dal coordinatore si sincronizza con il superframe e spedisce un pacchetto di richiesta dati negli istanti appropriati dettati dal superframe stesso. Il coordinatore PAN, una volta ricevuto il data request, invia un pac- chetto di riconoscimento della richiesta dati e subito dopo i dati che doveva spedire. A questo punto il dispositivo, una volta ricevuti sia lâ''ACK che i da- ti, spedisce a sua volta un ACK al coordinatore, chiudendo la trasmissione. Questa sequenza ` e rappresentata nella figura qui di seguito. 2.5 Livelli dello Stack ZigBee 45 Figura 2.13: Comunicazione coordinatore-dispositivo, (www.webuser.unicas.it) Nel caso si fosse in una rete non beacon abilitata, il dispositivo attraverso il CSMA-CA ascolta il canale ed appena lo trova libero spedisce un data request al coordinatore. Il coordinatore PAN, una volta ricevuto il pacchetto da parte del dispositivo, invia un pacchetto di riconoscimento (ACK) subito seguito dai dati che doveva trasferire. A questo punto il dispositivo, una volta ricevuti sia lâ''ACK che i dati, spedisce a sua volta un ACK al coor- dinatore, chiudendo la trasmissione. Questa sequenza di comunicazione ` e rappresentata nella Figura sottostante. Figura 2.14: Caso di rete non Beacon Abilitata, (www.webuser.unicas.it) 46 2. Lo Standard IEEE 802.15.4 Trasferimento di dati da dispositivo a dispsitivo In una rete punto a punto i dispositivi possono comunicare con tutti gli altri dispositivi nel raggio dâ''azione della comunicazione wireless. In questa tipologia di rete i dispositivi possono comunicare senza nessuna temporiz- zazione utilizzando CSMA-CA nel caso delle reti pi` u semplici, altrimenti ` e richiesta la gestione di un gettone (token) per garantire a tutti i dispositivi il tempo necessario per la comunicazione. Struttura dei Frame Le strutture dei frame sono state realizzate per minimizzare la comples- sit` a ed ottenere una sufficiente robustezza delle trasmissioni allâ''interno di canali rumorosi. In generale ogni frame ` e visto dal livello PHY come un pacchetto dati (PPDU), costituito da una intestazione (SHR e PHR) e da un payload (PSDU) che a sua volta contiene un frame del livello MAC. Il MAC, ` e costituito da un MAC header(MHR) e da un MAC footer (MFR) che racchiudono un MAC payload. Il contenuto di header e footer rimane fisso mentre il contenuto del payload varia in base al tipo di frame. Lo standard IEEE802.15.4 definisce quattro tipi di strutture di frame: â'¢ Beacon Frame: Usato dal coordinatore della rete PAN per trasmet- tere i menzionati beacon; â'¢ Data Frame: Usato per tutti i trasferimento di dati; consente la tra- smissione di un quantitativo massimo di 104 byte di dati per pacchetto; â'¢ Acknowledgment Frame: Consentono un feedback attivo dal ricevi- tore verso il mittente per comunicargli che il messaggio ` e stato ricevuto correttamente. La loro trasmissione avviene nellâ''intervallo di silenzio immediatamente successivo alla trasmissione del pacchetto; â'¢ MAC Frame: Utilizzato per portare istruzioni sulle particolari confi- gurazioni del MAC dei dispositivi; 2.5 Livelli dello Stack ZigBee 47 Figura 2.15: Le quattro tipologie di frame dello standard IEEE 802.15.4, (www.webuser.unicas.it) Beacon Frame I beacon frame sono generati dai livelli MAC e PHY del coordinatore della rete PAN e vengono spediti solo nel caso si sia in una rete beacon abilitata. In figura ` e rappresentata la struttura di un beacon frame, dove si possono notare i campi generati dal livello fisico, quali: preambolo, delimitatore del frame e lunghezza del frame stesso ed i campi generati dal livello MAC del coordinatore di rete. I campi del livello MAC sono di fondamentale impor- tanza nelle reti beacon abilitate perchÂ´ e portano informazioni sui parametri della struttura del superframe, sui campi dâ''indirizzamento e sulle tempistiche dei beacon stessi. Il MAC Service Data Unit (MSDU) contiene le specifiche del superframe, attesa di specifiche dâ''indirizzo, lista dâ''indirizzi e i campi di messaggio utile ed ` e situato tra il MAC Header (MHR) e il MAC Footer (MFR). Il MHR contiene i campi di controllo del MAC stesso, tra cui il numero di sequenza del beacon (BSN) e i campi dâ''informazioni sullâ''indiriz- zamento, mentre lâ''MFR contiene i sedici bit della sequenza di check (frame check sequence FCS). Il MHR (MAC header) assieme al MSDU (MAC ser- vice data unit) e al MFR (MAC footer) compongono il MAC beacon frame (MPDU). Lâ''MPDU viene passato al livello fisico attraverso il PHY Service Data Unit 48 2. Lo Standard IEEE 802.15.4 Figura 2.16: Struttura di un Beacon Frame, (www.webuser.unicas.it) (PSDU), il quale viene anticipato dallâ''header di sincronizzazione (SHR), com- posto dalla sequenza di preambolo e dai delimitatori di inizio-fine struttura, quindi dallâ''intestazione del livello fisico (PHR), contenente la lunghezza del PSDU espressa in base otto. La sequenza di preambolo serve al ricevitore per potersi sincronizzare col trasmettitore prima che inizi la vera e propria trasmissione. Lâ''insieme dei campi PSDU, PHR e SHR formano il pacchetto beacon visto al livello fisico (PPDU) prima di essere spedito allâ''interno del canale di comunicazione. Data Frame Il data frame ` e impiegato per la trasmissione di dati tra dispositivi dello stesso network e a differenza del beacon frame, pu` o essere generato da ogni tipo di dispositivo, sia RFD che FFD. Il campo data viene passato al MAC dai livelli superiori e inserito nel MAC Service Data Unit (MSDU), situato tra il MHR e il MFR. Il MAC header (MHR) ` e composto a sua volta da altri tre campi: il campo di controllo del frame, il campo contenente il numero seriale del pacchetto e il campo contenente informazioni dâ''indirizzamento; mentre il MAC Footer (MFR) contiene i sedici bit della sequenza di chech (frame check sequence FCS). Il MAC header (MHR) assieme al MAC service 2.5 Livelli dello Stack ZigBee 49 data unit (MSDU) e al MAC footer (MFR) compongono il MAC data frame (MPDU), il quale viene passato al livello fisico attraverso il PHY Service Data Unit (PSDU). Il PSDU assieme al PHR, campo che contenente la lunghezza del frame e al SHR, contenente la sequenza di preambolo e i delimitatori della struttura, compongono il pacchetto dati visto al livello fisico (PPDU). In Figura ` e riportata la struttura di un data frame. Figura 2.17: Struttura del Data Frame,(www.webuser.unicas.it) 50 2. Lo Standard IEEE 802.15.4 Acknowledgment frame Il pacchetto di ACK ` e generato da tutti i dispositivi della rete ZigBee e contiene al suo interno informazioni riguardanti lâ''avvenuta ricezione di pac- chetti. Il pacchetto di ACK generato dal livello MAC ` e composto da due blocchi, il MHR e il MFR. Il MAC header contiene informazioni sul control- lo del frame e il numero seriale dellâ''ACK, mentre il MAC footer contiene i sedici bit della sequenza di chech (frame check sequence FCS). Lâ''unione di tutti questi campi costituisce il MAC acknowledgment frame (MPDU), il quale viene passato al livello fisico attraverso il PHY Service Data Unit (PSDU); in Figura sono mostrati in dettaglio questi campi. Il PSDU assieme Figura 2.18: Struttura del frame ACK, (www.ebuser.unicas.it) al PHR, campo che contenente la lunghezza del frame ed al SHR, contenente la sequenza di preambolo ed i delimitatori della struttura, compongono il pacchetto ack visto al livello fisico (PPDU). 2.5 Livelli dello Stack ZigBee 51 Mac Comand Frame In Figura ` e mostrata la struttura del MAC command frame generata dal livello MAC del coordinatore. Il pacchetto MSDU ` e composto da due blocchi, il command type e il command payload; il primo contiene informazioni sulla tipologia del comando da eseguire, mentre il secondo contiene le specifiche da eseguire. Il blocco MAC service data unit (MSDU), assieme al MAC header (MHR) e al MAC footer (MFR) formano il MAC command frame (MPDU), il quale viene passato al livello fisico attraverso il PHY Service Data Unit (PSDU). Il PSDU assieme al PHR, campo che contenente la lunghezza del frame, e al SHR, contenente la sequenza di preambolo, compongono il pacchetto command visto al livello fisico (PPDU). Figura 2.19: Struttura del Mac Command Frame, (www.webuser.unicas.it) 2.5.3 Livello Rete Il livello rete ` e il pi` u basso dei livelli ZigBee e pu` o essere paragonato al livello delle direttive â'creami una rete con questi parametriâ'. Il suo compito ` e infatti quello di gestire in automatico le direttive applicative col livello MAC (a cui ` e direttamente interfacciato) e quello fisico, di gestire le connessioni della rete, la sua sicurezza e la sua creazione. Si occupa inoltre del routing dei messaggi e della route discovery e maintenance. Il network ` e il primo livello in cui vengono aggiunti header e footer al pacchetto per la sua gestione, cos`Ä± 52 2. Lo Standard IEEE 802.15.4 da renderlo comprensibile e gestibile dai livelli sottostanti della pila OSI. Il livello network gestisce: â'¢ Creazione di una nuova rete; â'¢ Unione o abbandono di una rete; â'¢ Lâ''assegnazione di indirizzi (16 bit) a nuovi dispositivi che entrano nella rete; â'¢ Sincronizzazione; â'¢ Routing (instradamento); Nelle reti a Stella ogni end device pu` o parlare solo con il coordinatore. Nella topologia Cluster Tree si usano tabelle di routing (fra due nodi ` e possibile un solo percorso). Nelle reti Mesh fra due nodi sono possibili pi` u percorsi. Si usa una versione semplificata dellâ''algoritmo AODV(Ad-hoc On-demand Distance Vector). I dispositivi sono preprogrammati in base alla loro funzione nella rete (a seconda che siano coordinatori, end device o router). I dispositivi sono â'intelligentiâ' nel senso che si unisco solo alle reti per cui sono pensati. Gestisce la formazione delle reti utilizzando i servizi offerti dal livello MAC. Security Service Provider Eâ'' il modulo che si occupa della sicurezza del protocollo, un elemento di novit` a rispetto al Bluetooth o allâ''IrDA. Si noti che lâ''SSP non ` e direttamente collegata agli altri moduli, ma prevede uno scambio di messaggi tra il livello network e quello applicativo; questa scelta progettuale fa s`Ä± che lâ''intero mo- dulo sia facilmente bypassabile nel caso in cui non sia richiesta la sicurezza del protocollo. Tra le funzionalit` a principali offerte dallâ''SSP citiamo: gestio- ne della chiave WEP (e nei nuovi standard ZigBee anche WPA e WPA2); crittazione dei dati; anti-replay attack, che impedisce che un modulo possa essere bloccato da un invio incessante di dati (se arrivano richieste molto rav- vicinate dallo stesso dispositivo, possiamo decidere se tollerarle o scartarle o 2.5 Livelli dello Stack ZigBee 53 inibire il device petulante o malevolo); gestione dei trust center, dispositivi fidati per la distribuzione delle chiavi di sicurezza. 2.5.4 Livello Applicazione Il Livello applicazione ` e costituito dai driver e dal codice, contenuti nella ROM del microcontrollore. Schematicamente di un nodo ZigBee si possono evidenziare, oltre al blocco relativo allâ''alimentazione, anche quelli inerenti il transceiver, lâ''antenna, il microcontrollre e lâ''interfaccia utente (rappresentata da Input/Output). Il transceiver implementa il livello fisico, ossia si occupa della modulazione del segnale come descritto in precedenza. Allâ''interno del- la ROM del microcontrollore e presente lâ''implementazione del livello MAC, NWK e applicazione. Il livello Applicazione ` e formato da â'¢ Application Support sub-layer (APS) â'¢ ZigBee Device Object (ZDO) â'¢ Application Framwork (AF) Allâ''interno del livello applicazione sono presenti delle entit` a dette oggetti applicazione. Tali oggetti scambieranno dati con oggetti applicazione posti su altri nodi in rete attraverso lâ''APSDE-SAP visto prima. Il controllo e la gestione di tali oggetti viene effettuato dallo ZDO Zigbee Device Object. Eâ'' possibile avere fino a 240 oggetti applicazione distinti nello stesso nodo, ognuno raggiungibile tramite una â''portaâ'' detta endpoint. Lâ''endpoint ` e un numero su 8 bit, che pu` o dunque assumere valori tra 0 e 255. Lâ''endpoint 0 ` e riservato per lâ''interfaccia dati verso lo ZDO e lâ''endpoint 255, invece, ` e riservato per inviare dati in broadcast a tutti gli oggetti applicazione. Gli endpoint che vanno da 241 a 254 sono riservati per usi futuri. Per quanto riguarda lâ''indirizzamento, ZigBee grazie agli endpoint associa un altro livel- lo di indirizzamento a quello gi` a visto nel livello MAC. Tramite un indirizzo MAC (esteso o ridotto che sia) o un indirizzo di rete riusciamo ad individuare un dispositivo in maniera univoca allâ''interno della rete. Ciascun nodo, come 54 2. Lo Standard IEEE 802.15.4 abbiamo appena visto, pu` o essere composto per` o da pi` u oggetti:per indiriz- zare univocamente un determinato oggetto di un nodo utilizziamo dunque la coppia: endpoint, indirizzo Application Support Sub-layer (APS) Sottolivello che mantiene le tabelle per fare il binding ed inoltra i mes- saggi tra gli endpoint. I suoi servizi sono usati sia dal modulo ZDO che dallâ''Application Framework. Il sottolivello di supporto al livello applicazione fornisce unâ''interfaccia tra il livello di rete (NWK) e il livello di applicazione (APL) attraverso un set di servizi generali che vengono usati anche da ZDO e dagli oggetti applicazione definiti dallâ''utente. Tali servizi sono forniti da due entit` a: Entit` a Dati(APSDE): Si occupa del servizio di trasmissione dei dati (chiamati Application PDU) forniti dal livello superiore per un altro dispositivo presente sulla rete ZigBee. Entit` a di Gestione (APSME): Si occupa del servizio di discovery e binding dei dispositivi e mantiene un database degli oggetti che gestisce, detto APS Information Base (APS IB). I compiti del livello APS sono: Discovery : La capacit` a di determinare quali altri dispositivi stanno operando nella per- sonal operating space (POS) del dispositivo. Binding : La capacit` a di associare fra loro due o pi` u dispositivi in base ai servizi che offrono e alle loro esigenze e inoltrare messaggi di comando o controllo. ZigBee Device Objects (ZDO) Lo ZDO ` e composto da una serie di servizi che forniscono unâ''interfaccia tra gli oggetti applicazione, i profili di dispositivo e lâ''APS per implementare ZBC, ZBR, ZED. 2.5 Livelli dello Stack ZigBee 55 Si occupa dunque di: 1. Device Management Responsabilit` a di determinare la natura del di- spositivo nella rete (se si tratti di coordinatore, router o end node) avviando e rispondendo a richieste di binding e di controllare lâ''associa- zione tra dispositivi. 2. Device Discovery Capacit` a di determinare quali altri dispositivi stan- no operando nel Personal Operating Space (POS) del dispositivo. Application Framework Ci si trovano gli oggetti proprietari scritti dagli sviluppatori privati. Eâ'' gestito dallâ''interfaccia pubblica dello ZDO e contiene un insieme di Applica- zioni. 56 2. Lo Standard IEEE 802.15.4 2.6 Ambiti applicativi dello ZigBee Il campo di applicazione ` e vastissimo sia in ambito indoor che outdoor e va dalla domotica allâ''automazione industriale, dallâ''elettronica di consumo al Machine to Machine (M2M), fino alle reti di sensori per il monitoraggio dellâ''ambiente o di pazienti in ambito medicale. Nella figura sottostante so- no indicate le principali aree applicative, tra cui particolarmente interessanti sono anche gli utilizzi nel settore dellâ''health-care per la teleassistenza ed il monitoraggio dei pazienti in ambito biomedicale, ma in generale per appli- cazioni in cui i sensori ZigBee sono pensati per migliorare la qualit` a della vita di ciascun individuo. In ambito indoor la tecnologia ZigBee fornisce Figura 2.20: Ambiti Applicativi dello ZIgBee, (www.aurelwireless.com) la possibilit` a di accendere e spegnere le luci di casa, controllare da remoto elettrodomestici e altri apparati quali il televisore o il digitale terrestre, per esempio per la programmazione, lâ''acquisto e la visualizzazione di contenuti multimediali. In ambito outdoor ci si sposta dalla casa ad ambienti esterni quali la citt` a, per arrivare ad un paradigma di citt` a digitale intelligente, in cui la tecnologia ZigBee pu` o essere utilizzata per: 2.7 Confronto con altri dispositivi 57 â'¢ Monitoraggio dei parametri ambientali, quali la temperatura, lâ''inqui- namento; â'¢ Servizi di infomobilit` a, come le informazioni di viabilit` a, di turismo; â'¢ Pagamenti e gestione dei parcheggi; â'¢ Controllo accessi; â'¢ Servizi di mobile-commerce e ticketing, quali il pagamento dei mezzi di trasporto; (bus, treni), lâ''accesso al cinema, teatro e museo; 2.7 Confronto con altri dispositivi Spesso si sente parlare di Bluetooth (IEEE 802.15.1) e di ZigBee come di due tecnologie radio per reti personali wireless che si competono. Le dif- ferenze principali rispetto alla tecnologia Bluetooth si possono riassumere nella realizzazione di dispositivi a minore dissipazione di energia e con pi` u efficienti caratteristiche di connettivit` a di rete, intese come una veloce ricon- figurabilit` a della rete stessa nel caso di caduta o aggiunta di un nodo ed un maggior numero di dispositivi connessi. Un vantaggio fondamentale di Zig- Bee, rispetto al Bluetooth, ` e la sicurezza che viene garantita a tutti i livelli della pila protocollare, abilitando anche servizi nellâ''ambito dei pagamenti e delle transazioni private, in cui la protezione dei dati ` e cruciale. Inoltre, ri- spetto a sistemi Bluetooth, in ZigBee si fa riferimento ad una banda limitata per la trasmissione dei dati (250 kbit/s rispetto a 1 Mbit/s), e a tipologie di rete che non si limitano a comunicazioni punto-punto: per questi motivi, Bluetooth e ZigBee sono da considerarsi come due tecnologie concepite es- senzialmente per ambiti applicativi diversi. A differenza di altre tecnologie di prossimit` a quali RFID (Radio Frequency IDentification), ed in particolare NFC (Near Field Communication), ZigBee permette la formazione di reti ad hoc autoconfigurabili, capillari e pervasive, con un numero di nodi molto elevato (nominalmente fino a 65.000), che comunicano tra loro con distanze 58 2. Lo Standard IEEE 802.15.4 che vanno da metri (single- hop) a chilometri, sfruttando il â'multi-hoâ' o le antenne potenziate. Un punto chiave di questa tecnologia rispetto a quella RFID ` e che scompare il binomio di tag e lettore, in quanto qualunque nodo della rete pu` o scambiare dati con gli altri nodi ed essere configurato tramite software per svolgere funzioni diverse. Uno dei principali vantaggi di ZigBee Figura 2.21: Confronto tra tecnologie di prossimit` a, (www.telecomitalia.com) rispetto ad altre tecnologie wireless di prossimit` a, come il Bluetooth, ` e lâ''e- levato livello di sicurezza, che viene supportata a livello di collegamento tra due nodi, ma anche a livello rete e applicativo. I servizi di sicurezza forniti da ZigBee includono meccanismi e protocolli per la generazione e il trasporto sicuro delle chiavi, la protezione delle trame e la gestione dei dispositivi. La protezione dei dati ` e garantita da algoritmi di crittografia avanzati (AES a 128 bit) e da meccanismi di integrit` a e autenticazione per proteggere il tutto da eventuali attacchi provenienti da dispositivi non autorizzati che tentano di accedere alla rete o al contenuto informativo trasmesso. Capitolo 3 Data Collection Una delle applicazioni pi` u importanti per le Reti di Sensori Wireless (WSN) ` e il sistema di[14] Data Collection, cio` e tutto ci` o che rappresen- ta un sistema di raccolta dati. Questi sistemi effettuano il rilevamento dei dati attraverso nodi sensori e li trasmettono ad una stazione base per effet- tuare ulteriori elaborazioni e ricevere informazioni a seconda del setttore in cui operano. La raccolta dati consiste nella possibilit` a di ricostruire la storia di un qualsia- si prodotto, dalla sua produzione alla distribuzione o viceversa. Questi tipi di sistemi sono ampiamente consolidati in alcuni settori produttivi, ad esem- pio quello automobilistico, alimentare o farmaceutico. Lâ''obiettivo ` e quello di creare un sistema distribuito di raccolta dei dati rivolto innanzitutto al- lâ''ultimo anello della catena, il singolo consumatore, ma che pu` o avere positi- ve ripercussioni sullâ''intera catena in termini di sicurezza, qualit` a, efficienza operativa e competitivit` a sul mercato globale. 59 60 3. Data Collection Figura 3.1: Data Collection, (www.unisi.it) In un sistema di raccolta dei dati, si richiede che tutti i dati di rileva- mento siano correttamente e accuratamente raccolti e trasmessi alla stazione di base1 Di seguito verranno descritti alcuni dei possibili sistemi di Data Collection basati su Wirless Sensor Network. 1Il traffico maggiore nella raccolta dei dati sono i dati riportati da ciascun sensore alla stazione base e deve essere il pi` u accurato possibile in modo da poter analizzare in poco tempo, e nel migliore dei modi, le informazioni contenute. 3.1 Easy-Ski 61 3.1 Easy-Ski EASY-SKI nasce dalla volont` a di rendere pi` u facile e sicura lâ''esperienza sulle piste da sci. Il primo passo per entrate nel mondo di Easy-Ski consiste nella registrazione al portale appositamente dedicato. Una volta effettuata la registrazione verr` a assegnato ad ogni utente un codice cliente tramite il quale sar` a possibile accedere allâ''area prenotazioni del sito per prenotare il proprio Ski Pass nel periodo e nella localit` a desiderati. I dati dellâ''utente saranno inoltre immagazzinati in un unico database al quale potranno accedere sia le biglietterie Ski Pass sia le strutture alberghiere convenzionate. In questo modo si permetter` a allâ''utente di ritirare il proprio Ski Pass direttamente al momento dellâ''arrivo in albergo oppure sulle piste da sci comunicando sempli- cemente il proprio codice cliente. Mediante un lettore/scrittore di RFID (in dotazione alle strutture ricettive convenzionate) i dati relativi alla prenota- zione e al periodo di durata dello Ski Pass (contenuti nel database) verranno associati automaticamente allo Ski Pass. Lo Ski Pass che verr` a consegnato ad ogni utente sar` a inserito in un disposi- tivo a forma di orologio allâ''interno del quale, oltre al TAG RFID, troveranno spazio anche un microchip basato sulla tecnologia ZigBee ed un disposi- tivo Bluetooth che permetter` a di comunicare col cellulare dellâ''utente. Al momento della prenotazione il sistema provveder` a inoltre ad in inviare in automatico, tramite MMS, unâ''applicazione auto istallante sullo smart phone dellâ''utente. Su tutti gli impianti sciistici verr` a istallata una rete di sensori basati sulla tecnologia wireless ZigBee che acquisiranno informazioni sulle condizioni atmosferiche, sulle condizioni del manto nevoso, e sullâ''affollamento delle pi- ste. Questi dati saranno inviati al microchip ZigBee integrato nei braccialetti Ski Pass degli utenti. Questi ultimi, invieranno tali dati allo smart phone del- lâ''utente mediante Bluetooth, permettendo una facile visualizzazione di tutte le informazione desiderate sul display del proprio cellulare. Lâ''applicazione ricevuta sul cellulare permetter` a inoltre: 62 3. Data Collection â'¢ di visualizzare la mappa degli impianti sciistici e dei punti di servizio e ristoro; â'¢ di visualizzare la propria posizione in tempo reale (tramite Gps) in modo da poter essere facilmente localizzati anche in caso di incidenti sulle piste o valanghe; â'¢ di visualizzare la posizione dei membri del proprio gruppo semplice- mente inserendo il codice cliente di ognuno; â'¢ di avere la tracciabilit` a dei km percorsi sulle piste e degli impianti utilizzati; â'¢ di poter comunicare con i membri del proprio gruppo tramite la tecno- logia Push-to-Talk; Come ulteriore servizio Easy-Ski offre la possibilit` a di poter effettuare i pa- gamenti, sugli impianti e nei punti vendita convenzionati, sfruttando la tec- nologia NFC. Si avr` a la possibilit` a di pagare, ad esempio, il pranzo al rifugio o il noleggio della propria attrezzatura semplicemente passando il proprio cellulare su un sensore. In questo modo i vacanzieri, impazienti di andare a sciare potranno evitare lunghe code alle casse e inutili perdite di tempo. 3.2 Mensa 63 3.2 Mensa Lo scopo di questo sistema di Data Collection ` e lâ''ottimizzazione delle procedure dâ''accesso e uso della mensa. Il problema principale nella gestione della mensa e: â'¢ La fila allâ''ingresso e dopo lâ''ingresso nellâ''attesa di essere serviti; Grazie allâ''usilio di nuove tecnologie, ed in particolare dello standard ZigBee ` e possibile risolvere il problema accennato precedentemente. Per quanto ri- guarda la fila e la conoscenza del menu bisogna tener conto di due fattori: Innanzitutto si deve tener conto del fatto che ci sono due tipologie di persone che usufruiscono del servizio mensa: coloro che hanno orari fissi e vanno a mensa sempre alla stessa ora e coloro che invece hanno orari variabili e posso- no decidere di andare a mensa in un range di tempo da loro definito. Questo problema si pu` o risolvere costruendo una rete basata su tecnologia ZigBee formata da quattro sensori2 che fanno da contatori di utenti, un Router che ha il compito di diffondere il segnale tra i sensori e un Coordinatore con capacit` a di calcolo. Il sistema di Data Collection descritto ci permetter` a di avere informazioni relative a: â'¢ quante persone intendono stare in fila per usufruire della mensa; â'¢ quante sono gi` a in fila ma non hanno ancora occupato un posto; â'¢ quante sono invece uscite dalla mensa; In questo modo si potr` a capire quanti posti liberi ci sono in un determinato momento dentro la mensa e quante persone sono gi` a in fila, e di conseguenza regolarsi e decidere se andare a mensa in quel momento oppure aspettare; 2I sensori vengono posizionati, uno allâ''ingresso del locale antecedente alla mensa, uno sui tornelli (che poi saranno dei lettori NFC) che regolano lâ''ingresso alla mensa vera e propria, uno alla fine della fila per il servizio e uno allâ''uscita della mensa. 64 3. Data Collection Tutte le informazioni riguardanti i posti liberi, la fila e il tempo medio dâ''attesa verranno pubblicati e aggiornati in tempo reale sulla pagina web del- la mensa in modo tale da permettere agli utenti che stanno studiando nelle biblioteche della citt` a universitaria o dai dottorandi sparsi per i vari diparti- menti tramite connessione alla rete WiFi, se dotati di laptop, computer fisso o smartphone. In questo modo si eviter` a di perdere mezzora di studio/lavoro in fila in attesa di poter pranzare e si potr` a decidere di recarsi a mensa nel momento ritenuto pi` u opportuno. 3.3 AutomatiKitchen 65 3.3 AutomatiKitchen AutomatiKitchen nasce con lo scopo di semplificare la gestione della vita domestica, partendo da uno dei suoi luoghi centrali quale la cucina. Lâ''idea ` e di collegare ad un computer centrale i vari elettrodomestici in modo da velo- cizzare tutti i processi e permettere allâ''utente di avere tutto a portata di click. Attraverso uno schermo touchscreen, lâ''utente pu` o facilmente controllare tutti gli elettrodomestici ed i dispositivi presenti in cucina, connessi tra loro tra- mite una rete che utilizza un protocollo Zigbee; In particolar modo, grazie a questo sistema, ` e possibile rilevare in tempo reale la presenza o meno di un prodotto allâ''interno del frigorifero ed avere un quadro immediato e generale del suo contenuto. Al suo interno, sono presenti sensori di peso e di control- lo e dispositivi attuatori, tutti interconnessi tramite la tecnologia ZigBee. Lo sportello del frigorifero ` e composto da alcuni scomparti separati, ognuno con un apposito sensore di peso che avvertono lâ''utente quando un prodotto sta per finire. Attraverso i sensori di controllo ed i dispositivi attuatori, lâ''u- tente pu` o controllare facilmente, anche a distanza, il giusto funzionamento dellâ''elettrodomestico e deciderne anche lâ''accensione e lo spegnimento. 66 3. Data Collection Figura 3.2: AutomationKitchen,(www.hwjournal.net) Grazie a questo sistema di data collection dotato di un computer centrale, ` e possibile gestire i diversi dispositivi presenti nella cucina. Il computer cen- trale ` e dotato di tecnologia Bluetooth e NFC che gli permettono di interagire con dispositivi dotati della stessa tecnologia. In questo modo, sia stando in cucina che passando il dispositivo vicino allo schermo presente sul frigorifero, ` e possibile ricevere informazioni sui dispositivi. Ad esempio, ` e possibile scari- care la lista della spesa e consultarla anche a distanza. Il software ` e composta da tante icone quanti sono i dispositivi integrati, da unâ''icona raffigurante un carrello, che indica le attivit` a relative alla spesa, ed unâ''icona con un men` u, che indica la parte dei consigli su come utilizzare gli alimenti a disposizione degli utenti. 3.4 Gestione Produzione 67 3.4 Gestione Produzione Questi tipi di sistemi nascono con la necessit` a di creare dei collegamenti in grado di trasferire i dati dalla fabbrica al sistema e di realizzare stazioni con requisiti particolari per controllare gli strumenti di produzione in modo da coinvolgere il meno possibile gli operatori. Gli obiettivi di questi sistemi sono ad esempio quelli di identificare in modo univoco ogni singola caldaia prodotta prima dellâ''assemblaggio e di verificare che tutti i collaudi previsti siano effettuati nel corso del processo produttivo al fine di assicurare tutte le garanzie di sicurezza nei confronti sia degli operatori durante lâ''assemblag- gio, sia degli utenti finali nellâ''utilizzo del prodotto. Le caldaie a gas hanno bisogno di essere tracciate e rintracciate nel corso del processo produttivo in relazione ai parametri dâ''uso e per permetterne successivamente la manuten- zione. Partendo da questa premessa ` e necessario trovare un sistema in grado di compiere queste operazioni e delle apparecchiature affidabili in grado di operare in un ambiente difficile, quale quello della fabbrica, garantendo re- quisiti quali lâ''identificazione precisa, automatizzata e usufruibile in tempo reale della caldaia, lâ''interfaccia semplice e intuitiva verso gli operatori di li- nea e il contenimento dei costi di gestione. Per rispondere a questi requisiti, si ` e trovata una soluzione ottimale nel sistema di sensori wireless3 che si ` e dimostrato in grado di superare anche i vincoli imposti da condizioni rese oggettivamente difficili dallâ''alta presenza di metallo e di acqua calda e dal- lâ''alta densit` a di cavi elettrici, garantendo efficacemente il necessario ritorno dellâ''informazione allâ''operatore. Oltre alla rete di sensorisono state progetta- te delle centraline collegate in Ethernet, in modo da semplificare le esigenze dal punto di vista dei cablaggi, e racchiuse in contenitori con allâ''interno mi- croprocessori per preparare e ripulire le informazioni che arrivano dal campo e renderle comprensibili al sistema centrale. Per quanto riguarda il traspon- 3Attraverso antenne particolari che possono essere utilizzate allâ''interno della linea senza interferenze con i supporti di metallo, materiali resistenti agli urti, ai liquidi, al- le temperature e agli stress meccanici e chimici e calibrate per essere pi` u performanti possibile. 68 3. Data Collection der, sono state utilizzate tessere plastificate inserite allâ''interno di una tasca appositamente ricavata del supporto (carrello) che trasporta la caldaia lun- go la linea di produzione. Il sistema data collection della linea produttiva, avviene nel seguente modo: allâ''inizio della linea viene abbinato il numero di matricola della caldaia memorizzato su codice a barre, e ripreso dal foglio di lavoro, al [21]trasponder inserito nel supporto di plastica ricavato allâ''interno del carrello. Quando il carrello transita su una antenna, in corrispondenza di una specifica fase di lavoro, attiva macchine di collaudo e/o comanda appa- recchiature di movimentazione. Se lâ''esito del controllo ` e positivo, sul sensore viene registrato che tutte le operazioni e i controlli sono stati effettuati cor- rettamente e si passa cos`Ä± alla fase successiva. Invece nel caso in cui il test di una determinata fase non corrisponda alle caratteristiche impostate, auto- maticamente il carrello esce dalla linea perchÂ´ e siano apportati gli interventi necessari. Figura 3.3: Monitoraggio Industriale, (www.bi-lab.it) 3.4 Gestione Produzione 69 Lâ''implementazione dei sistemi wireless ha portato numerosi vantaggi dal generale contenimento dei costi di gestione alla maggiore precisione e to- tale automatizzazione dellâ''identificazione delle caldaie, dallâ''alleggerimento dellâ''operatore per operazioni che prima doveva compiere manualmente con il rischio di commettere degli errori, alla flessibilit` a produttiva determinata dal fatto che allâ''inizio delle linee il tipo di prodotto determina automati- camente i test ad esso associati e quindi ` e possibile produrre pi` u modelli contemporaneamente utilizzando la stessa linea. 70 3. Data Collection 3.5 Monitoraggio Ambientale Per quanto riguarda il monitoraggio ambientale ` e attivo un sistema costi- tuito da un insieme di sensori di temperatura ed umidit` a, che costituiscono una rete wireless che trasmettono dati via radio, e da una applicazione su Personal Computer che mediante unâ''interfaccia grafica permette di gestire e monitorare la rete stessa. I sensori sono stati realizzati utilizzando le pi` u re- centi ed avanzate tecnologie a microcontrollore a basso costo, basso consumo, piccole dimensioni e tecnologia di trasmissione radio ZigBee. Unâ''applicazione tipica ` e ad esempio la gestione di sensori di temperatura e di umidit` a dislocati in un vigneto. Questo sistema fornisce allâ''utente gli strumenti per semplifi- care il monitoraggio della rete di sensori, permettendo cos`Ä± di acquisire i dati provenienti dai sensori, di memorizzarli in un database e nello stesso tempo di elaborarli. Lâ''utente ha inoltre la [18]possibilit` a non solo di ricevere dati dai sensori, ma anche di inviarli. Il sistema infatti d` a la possibilit` a allâ''utente di inviare dei comandi ai sensori, ad esempio per settare dei parametri co- me le frequenze di trasmissione, elaborazione e campionamento dei dati, che possono essere modificate dallâ''utente stesso a seconda delle esigenze. La rete Figura 3.4: Monitoraggio Ambientale, (www.tdgroup.it) ` e formata da una serie di Nodi Sensori, collegati direttamente, via radio con tecnologia Zigbee, con un nodo di raccolta, detto Coordinatore. Su ciascun 3.5 Monitoraggio Ambientale 71 Nodo Sensore sono integrati due sensori, uno di temperatura e uno di umi- dit` a. Il nodo Coordinatore, su cui non ` e montato alcun sensore, si occupa della raccolta dei dati inviati da ciascun nodo sensore e del loro invio attra- verso porta seriale o ethernet ad un PC, sul quale verranno immagazzinati e visualizzati. Ci` o consente al viticoltore di sapere, con largo anticipo e con unâ''altissima precisione, il momento della vendemmia o la necessit` a di ap- prontare misure antiparassitarie, potendo cos`Ä± ottimizzare la sua produzione sia in termini di qualit` a che di risparmio economico. 72 3. Data Collection 3.6 Consegna Bagagli Il Gruppo Datalogic, leader nel mercato dei lettori di codici a barre, di mobile computer per la raccolta dati, di sistemi a tecnologia RFID e visione, tramite la controllata Datalogic Automation, ha realizzato per lâ''aeroporto di Roma â'Leonardo da Vinciâ' di Fiumicino, il pi` u grande scalo italiano con quattro terminal e oltre 33 milioni di passeggeri ogni anno, trenta tunnel a let- tura omnidirezionale per migliorare la consegna dei bagagli. Negli Aeroporti di Roma (ADR) ` e presente una efficiente gestione dei bagagli per aumentare il livello di servizio ai passeggeri, fornendo un progetto di tracciabilit` a dei bagagli dal prelievo dalla stiva dellâ''aereo fino alla consegna al passeggero. Grazie a una stazione di lettura destinata a ogni punto di ingresso e di uscita Figura 3.5: Smistamento sicuro dei bagagli, (www.agi.it) dei bagagli in tutti i terminali aeroportuali, si riesce a raccogliere dati utili su ciascun bagaglio e monitorarne gli spostamenti. Una volta posto sul nastro trasportatore, il bagaglio segue un percorso predefinito dove viene sottoposto a diverse fasi di lettura dagli scanner che lo indirizzano verso la destinazione corretta, monitorando al tempo stesso le performance del sistema di smista- mento bagagli dal momento in cui questi vengono scaricati dallâ''aereo: per garantire una corretta e pi` u rapida procedura di smistamento e consegna dei 3.7 Gestione Magazzino 73 bagagli, il sistema ` e formato da trenta tunnel di lettura omnidirezionale su 270â'¦ del codice a barre. 3.7 Gestione Magazzino Nella gestione del magazzino la tecnologia introduce novit` a particolar- mente vantaggiose, sia per i lavoratori che vedranno semplificato il proprio lavoro, sia per i clienti che otterranno un servizio pi` u efficiente. Come si pu` o vedere in figura 3.2 tutti i processi di gestione del prodotto allâ''interno del magazzino risultano automatizzati e semplificati. Un sistema informatico ` e gi` a in grado di segnalare giacenze basse, magari proponendo un quantitativo da ordinare in base alle vendite, consigliare nuove collocazioni per prodotti poco venduti o possibili offerte di vendita. Con lâ''introduzione dei sensori ZigBee sar` a per` o possibile verificare la presenza dei prodotti non solo come giacenza a magazzino ma anche come giacenza effettiva sullo scaffale: questo permetter` a di segnalare al personale la necessit` a di esporre nuova merce che sar` a facile da identificare anche allâ''interno di confezioni ancora imballate. Il personale potr` a verificare la corretta spedizione della merce segnalando istantaneamente lâ''insorgere di un problema nella consegna che attiver` a mi- sure cautelative per sopperire alla carenza del prodotto. Le operazioni di inventario saranno notevolmente semplificate. Lettori, inseriti nella struttu- ra del magazzino o portati manualmente da personale, potranno interrogare i sensori sui prodotti e fornire istantaneamente la giacenza reale di tutti i pro- dotti: la velocit` a di esecuzione potr` a far si che lâ''operazione venga effettuata pi` u volte durante lâ''anno e non necessiter` a di una chiusura temporanea, fino ad oggi essenziale per svolgere tutte le operazioni di verifica manuale delle giacenze. La presenza dei sensori sui prodotti supplisce, senza lâ''ausilio di costi aggiuntivi per le strutture dedicate, alla funzione di antitaccheggio. Il totale della spesa verr` a calcolato automaticamente evitando errori di battitu- ra manuale, e contraffazioni volontarie e involontarie. Dal punto di vista del cliente, il servizio offerto trae vantaggi. Al momento dellâ''acquisto il cliente 74 3. Data Collection ` e informato delle reali qualit` a dellâ''oggetto che sta comprando. Allâ''uscita dal negozio il conto viene calcolato automaticamente e grazie al riconoscimento del cliente pu` o essere addebitato sul conto corrente dello stesso addebitato sul conto corrente dello stesso. Figura 3.6: Gestione Magazzino, (www.manageronline.it) 3.7 Gestione Magazzino 75 Nel caso di restituzione o di guasto, le informazioni e la storia del pro- dotto permettono di semplificare le procedure di controllo con una riduzione dei tempi necessari per lâ''operazione. Il cliente, a sua volta, potr` a essere informato, mediante strumenti informativi diversi, sulla stato del prodotto acquistato (compresa la data di scadenza nel caso di prodotto alimentare). La domotica,4permette agli elettrodomestici di interloquire tra loro e lâ''intro- duzione della tecnologia ZigBee permette al prodotto di fornire informazioni utili allâ''elettrodomestico. Per esempio il frigorifero pu` o ordinare cibo, in base alle abitudini degli abitanti della casa in cui si trova, e segnalare eventuali scadenze dei prodotti al suo interno. 4scienza delle tecnologie telematiche nelle abitazioni. 76 3. Data Collection 3.8 Telepass Da anni sulle automobili italiane ` e possibile applicare un piccolo tra- sponder chiamato telepass, che ha il compito di assolvere il pagamento del pedaggio autostradale: ` e forse questo il pi` u importante e visibile esempio di utilizzo della tecnologia a radio sensori in Italia. Le autostrade italiane sono gestite da societ` a diverse: questo ha portato alla creazione di barriere di confine tra i vari tratti autostradali. Lâ''utilizzo di una rete wireless formata Figura 3.7: Telepass, (www.autostrade.it) permette di risolvere almeno due problemi: â'¢ riduzione delle code per il pagamento manuale del pedaggio; â'¢ utilizzo trasparente dei sistemi autostradali indipendentemente dalla propriet` a; La Societ` a Autostrade Italiane sta studiando un sistema di Data Collection che permetta ai sensori di essere usati, oltre che per il pagamento del pedag- gio, anche per il pagamento del rifornimento, per acquisti in autogrill e per servizi usufruibili in autostrada. 3.9 Metro: Il Negozio del Futuro 77 3.9 Metro: Il Negozio del Futuro Il 28 Aprile 2003 ` estato inaugurato a Rheinberg il primo negozio del fu- turo che sfrutta svariate nuove tecnologie. Il negozio di propriet` a di Metro, sponsor dellâ''AutoId Center, consente ai cliente di scegliere fra la possibilit` a di continuare a fare la spesa come prima o optare per uno sfruttamento di tutte le tecnologie pi` u innovative presenti. Eâ'' forse questo il test pi` u importante per verificare la bont` a del progetto che stravolger` a le modalit` a di gestione del magazzino. Il negozio ` e [22]dotato di scaffali intelligenti, sistemi di self check-out, bilance intelligenti e quanto di pi` u tecnologico la societ` a moderna pu` o offrire. Lâ''importanza del test risiede anche nel fatto che tutta la merce viene tracciata non solo allâ''interno del negozio ma anche nel percorso dal centro di distribuzione: questo permetter` a di valutare la bont` a della tecno- logia a livello di trasporto, controllo degli arrivi e riordino. Alcuni grandi produttori come Gillette, Kraft e Philips stanno collaborando per lâ''etichettatura dei singoli prodotti. Sono state implementate le funzioni di controllo scadenze e antitaccheggio. Vengono inoltre provate alcune fun- zioni innovative come, ad esempio, la possibilit` a di ascoltare un brano tratto dal cd che si desidera comprare. I carrelli, dotati anchâ''essi di trasponder e reader possono oltre che essere riconosciuti (utile per capire quanti clienti sono presenti nel negozio e decidere lâ''apertura di nuove casse) riconoscere il cliente, fornendogli informazioni sulle offerte presenti, sui punti accumulati sulla scheda, nonch` e una lista della spesa che il cliente stesso pu` o precompi- lare via web. Tutto il sistema interagisce con Sap5, il gestionale gi` a in uso da parte dei negozi Metro. 5SAP `e leader mondiale nelle soluzioni software per il business e fornisce applicazioni e servizi che favoriscono lâ''innovazione delle imprese. 78 3. Data Collection Figura 3.8: Metro : Negozio del Futuro, (www.mondorfid.it) 3.10 Infosat 79 3.10 Infosat Infosat ` e un sistema utilizzato per la gestione dei parcheggi a pagamento. Facendo uso di uno specifico tool implementato nel sistema Infosat ` e possibile creare e gestire aree a pagamento o interdette, come ZTL, aree di emergenza o parcheggi. Un insieme si strutture dati vengono quindi sincronizzate con i terminali mobili, cos`Ä± da consentire il funzionamento dei controlli â'location- basedâ' e â'graph-basedâ' di inclusione attuale o potenziale del veicolo nelle aree, ed il funzionamento degli algoritmi di controllo e pedaggio. Le qua- lit` a dei sistemi di navigazione satellitare EGNOS e GALILEO che sono alla base dellâ''approccio innovativo che il sistema INFOSAT porta in alcuni rami dellâ''ITS, fanno s`Ä± che funzionalit` a â'liability-criticalâ', come il pedaggio al- lâ''utenza e lâ''esecuzione possano essere sui dati di posizionamento satellitare. Per esempio lâ''utente viene informato dello stazionamento in un parcheggio avente una determinata tariffa e gli viene proposto il pagamento tramite il servizio INFOSAT. Figura 3.9: Infosat, (www.progettoinfosat.it) 80 3. Data Collection Le applicazioni â'Liability criticalâ' hanno bisogno di attivit` a di esecuzio- ne, il sistema potrebbe fornire attivit` a di law enforcement automatico, ma lâ''accettazione da parte dei cittadini sarebbe terribilmente bassa. La soluzione INFOSAT consiste in un prototipo di targa elettronica (Electronic Number Plate) partendo dalle attuali iniziative dello Stato e poggiando a puro titolo esemplificativo sulla tecnologia Zigbee. Un terminale mobile touch screen ` e stato dedicato allâ''attivit` a dellâ''operatore di enforcement, da tale terminale tramite la targa elettronica di un veicolo ` e possibile ottenere: informazio- ni riguardo al proprietario del veicolo stesso, targa, tipo di motore, stato assicurativo, guidatore attuale, autorizzazioni per lâ''accesso. 3.11 Monitoraggio del traffico stradale La congestione del traffico veicolare ` e uno dei problemi pi` u importanti e urgenti della nostra societ` a. Lâ''elevata domanda di mobilit` a ` e, infatti, cau- sa di lunghi tempi di attesa, incidenti, inquinamento e ingenti costi per la collettivit` a. ` E estremamente importante migliorare lâ''efficienza delle infra- strutture viarie esistenti grazie ai progressi nellâ''ambito dellâ''information and communication technology ed in particolare nelle tecniche di rilevazione, ela- borazione e comunicazione, per rendere pi` u efficiente la gestione dei sistemi di trasporto. Il monitoraggio rappresenta un elemento fondamentale per la gestione efficiente del traffico. Sistemi di trasporto intelligenti (ITS) si ba- sano, infatti, su una rete â'pervasivaâ' di sensori che fornisce misure affidabili di traffico (numero di veicoli, velocit` a, tasso di occupazione, etc.) a centrali operative per la gestione del traffico (traffic management center, TMC). Pos- sibili [25]strategie di controllo sono, ad esempio il controllo delle segnalazioni semaforiche, la regolazione del flusso nelle rampe di accesso alle autostrade, sistemi di informazione sullo stato del traffico, ottimizzazione dei percorsi, predizione dei flussi, sistemi di guida nei parcheggi, sistemi di gestione degli incidenti, ecc. Sebbene lâ''efficacia di queste strategie sia stata provata da vari studi nel settore (per la riduzione del tasso di incidenti, del consumo di 3.11 Monitoraggio del traffico stradale 81 carburante e di inquinamento, del tempo di percorrenza), la maggior parte di esse rimane ad oggi inutilizzata e una delle ragioni ` e lâ''inadeguatezza dei sistemi di monitoraggio del traffico. Nei sistemi di monitoraggio attuali i punti di misura sono disposti tipica- mente ogni 500m-1km circa. Analisi sperimentali hanno dimostrato, invece, che per un controllo efficace della congestione ` e necessario un monitorag- gio pi` u denso (circa 100-200m circa, a seconda della tipologia della strada e del volume di traffico)6. I sistemi attuali, basati su reti cablate di sen- sori (spire induttive, microonde, magnetici, acustici, infrarossi, video), non sono adatti per monitoraggi pervasivi a causa dellâ''elevato costo di dispositi- vi, installazione e manutenzione. Il sistema, denominato Wi-Road, propone come soluzione alternativa una rete di monitoraggio di sensori wireless, cio` e una rete auto-configurante e scalabile costituita da piccoli sensori di costo contenuto, alimentati a batteria e collegati fra loro via radio. I dispositi- vi della WSN sono facilmente installabili sotto il manto stradale grazie alle dimensioni contenute (qualche cm). Ciascun dispositivo ` e costituito da un sensore magneto-resistivo per la rilevazione del traffico, un processore per lâ''e- laborazione delle misure, una batteria, una memoria, e un dispositivo radio. Rispetto ai classici sistemi cablati, la tecnologia wireless consente di ridurre tempi e costi di installazione (non ` e necessario posare cavi sotto la superficie stradale). Inoltre i sensori wireless possono essere installati a pochi metri lâ''u- no dallâ''altro, rendendo la struttura di rilevamento pi` u accurata e flessibile. Disponendo, ad esempio, punti di misura a 100-200m (o fino a 50m), si pu` o realizzare una rete stradale â'intelligenteâ', completamente cablata in modo wireless, da utilizzare come piattaforma per lâ''attivazione di servizi avanzati per la gestione efficiente della mobilit` a. In uno scenario futuro di mobilit` a con veicoli â'intelligentiâ' in grado di comu- nicare fra loro attraverso tecnologie wireless mobili, la rete Wi-Road consen- tir` a alla strada di rilevare automaticamente le proprie condizioni (di traffico, sicurezza stradale, climatiche, etc.), scambiare informazioni con i veicoli di 6dati da studi sulla reti stradali californiane 82 3. Data Collection passaggio, con le unit` a di gestione e gli utenti via internet. Il sistema Wi- Road ` e finalizzato allo sviluppo di un sistema WSN a larga scala, con densit` a elevata di sensori e rilevazione in tempo-reale, per il monitoraggio, lâ''analisi e la gestione del traffico stradale. Il progetto ` e interdisciplinare, in quan- to richiede competenze nellâ''ambito delle comunicazioni wireless, informatica, trattamento dei segnali e matematica applicata. Il sistema Wi-Road ` e sta- to progettato sulla base di una rete di monitoraggio wireless, in particolare composta da sensori di rilevamento, la cui architettura di rete, con i suoi mec- canismi di sicurezza e protocolli di comunicazione, garantisce una connessione affidabile per un monitoraggio accurato del traffico. Lâ''architettura di rete si basa sulla combinazione di diverse tecnologie wireless per garantire la co- pertura su larga scala. Fondamentale ` e lo sviluppo di protocolli ad-hoc per lâ''ottimizzazione del consumo energetico e la massimizzazione dellâ''autonomia dei sensori (almeno 10 anni compatibilmente con i tempi di manutenzione della strada e con rilevazione del traffico ogni 30s circa). Infine, sono pre- senti algoritmi avanzati di trattamento dei segnali per la calibrazione della rete, lâ''allocazione delle risorse e la sincronizzazione, in modo da rendere il sistema di monitoraggio in grado di auto-configurarsi e adattarsi a eventuali variazioni nelle condizioni di lavoro (per eseempio comparsa di un dispositivo interferente). 3.11 Monitoraggio del traffico stradale 83 Figura 3.10: Architettura generale del sistema di monitoraggio wireless del traffico, (www.wisygeo.com) 84 3. Data Collection 3.12 Monitoraggio dei veicoli di trasporto Fleet ` e un sistema di monitoraggio concepito al fine di ottimizzare il tra- sporto merci e la gestione di flotte di veicoli. Lo scopo ` e quello di realizzare una piattaforma, hardware e software, per la localizzazione e gestione di flotte di veicoli e del trasporto delle merci. La precisione nella rilevazione della po- sizione dei mezzi sta divenendo un fattore essenziale sia per quanto riguarda la gestione complessiva delle flotte di veicoli, sia dal punto di vista dellâ''affi- dabilit` a del sistema di rilevamento nel suo complesso. Eâ'' quindi sempre pi` u necessario poter offrire alle aziende che dispongono di una flotta di veicoli un sistema che permetta, con precisione, di fornire i dati relativi ai percorsi ef- fettuati dai veicoli nel periodo temporale richiesto al fine di abbattere i costi superflui di gestione, dando una stima pi` u realistica del costo di percorrenza di determinate tratte. Il sistema ` e costituito da una piattaforma di localizzazione e comunicazione veicolare, sia hardware che software, che implementa lâ''innovativa tecnologia GPS/EGNOS-GSM/GPRS. Eâ'' presente un software lato Server, preposto allâ''elaborazione dei dati, un software lato Client con la funzione di interfac- cia per la visualizzazione delle informazioni e da centraline GPS/EGNOS- GSM/GPRS montate a bordo dei veicoli. Le centraline registrano in mo- do automatico e continuo lâ''attivit` a del veicolo, memorizzano le coordinate GPS/EGNOS della posizione, se il motore ` e acceso o spento, se ` e in movi- mento oppure in sosta. Specifiche icone identificano sul tracciato le soste ed altri elementi utili alla gestione della flotta. Il sistema ` e in grado di integrare anche un applicativo che permette la pianificazione dei percorsi. ` E quindi possibile confrontare direttamente sulla cartografia i â'dati storiciâ' dei viaggi, cio` e i chilometri percorsi, le ore di guida e la durata delle soste. Tramite la pianificazione ` e cos`Ä± possibile evidenziare eventuali problematiche e sprechi identificando opportunamente le varie soluzioni al fine di aumentare lâ''effi- cienza della gestione della flotta. I sistemi di monitoraggio consistono nella gestione in tempo reale dei dati di localizzazione dei veicoli e delle merci rendendo queste informazioni immediatamente disponibili ad una centrale 3.12 Monitoraggio dei veicoli di trasporto 85 operativa. Inoltre, ` e possibile monitorare costantemente il volume del carico e il suo â'statoâ' tramite sensori wireless, cosa che gli attuali sistemi oggi pre- senti sul mercato non riescono a fare o fanno solo parzialmente. La gestione della flotta di veicoli copre cos`Ä± anche il carico trasportato dai singoli mezzi. In questo modo si riducono i tempi di registrazione e controllo del carico, in quanto tali attivit` a vengono svolte dalla struttura elettronico- informatica, aumentando di conseguenza la produttivit` a dellâ''intera fase di trasporto. Eâ'' possibile cos`Ä± conoscere, per lâ''intera tratta del viaggio del vei- colo, lo stato della merce trasportata, tramite sensori di temperatura ed accelerazione, ed il livello del volume del carico, tramite la creazione di un sistema di sensori di profondit` a montata a bordo dellâ''eventuale container trasportato dal mezzo. Nel container viene installata una griglia si sensori volumetrici atti a controllare il volume del carico trasportato. Questi sen- sori comunicano con una centralina montata nel container e questâ''ultima a sua volta invia le informazioni al dispositivo di localizzazione montato nella motrice attraverso il protocollo di comunicazione ZigBee e per mezzo di un segnale radio potenziato. Dallâ''analisi svolta sullo storico dei viaggi percorsi Figura 3.11: Schema sistema di monitoraggio del carico, ((www.allix.it)) dai veicoli e dalla merce, ` e quindi possibile, in maniera automatizzata, indivi- 86 3. Data Collection duare le tratte maggiormente redditizie o quelle che in definitiva allâ''azienda â'costano menoâ'. Conoscere queste informazioni significa ridurre gli sprechi ed aumentare lâ''efficienza del sistema nel suo complesso. Il sistema ` e caratte- rizzato da un innovativo utilizzo della tecnologia web service che permette di far interagire la infrastruttura server con quella client tramite la rete internet in maniera trasparente, veloce ed efficiente. Figura 3.12: Schema rappresentativo della struttura di comunicazione e gestione dati, (www.allix.it) Capitolo 4 Caso Studio: Z-Sim La Telecom Italia ` e entrata nel luglio 2004 nella Zigbee Alliance, avviando sin da subito attivit` a di ricerca nei propri laboratori per studiare e compren- dere le potenzialit` a di una nuova tecnologia e valorizzarne lo sfruttamento da parte dellâ''operatore. Nei laboratori si sono realizzati i primi prototipi di periferiche con nodi Zig- bee integrabili su terminali commerciali, in particolare ` e stato sviluppato il primo prototipo di Z-SIM, Grazie alla nuova SIM card, il terminale potr` a in completa sicurezza connettersi, dialogare, monitorare e controllare reti personali di oggetti siano essi apparati, impianti elettrici e di riscaldamento, sensori locali. Questa Z-SIM, utilizza il nuovo standard di trasmissione radio ZigBee, pen- sato per fare interagire i dispositivi a basso costo in un raggio che varia dai pochi centimetri alle decine di metri. Figura 4.1: Integrazione della Z-Sim, (www.telecomitalia.it) 87 88 4. Caso Studio: Z-Sim 4.1 Cosâ''` e la Z-Sim La Z-Sim e un nodo ZigBee integrato su una SIM card, il microchip presente sui terminali mobili che contiene i dati del cliente e i protocolli di connessione alla rete del gestore telefonico. Lâ''integrazione in una carta SIM offre molteplici vantaggi: la soluzione ` e por- tabile, in quanto indipendente dal terminale utilizzato, sicura e fortemente correlata allâ''utente ed al suo profilo di servizio. La Z-Sim [26]garantisce la sicurezza delle transazioni, perchÂ´ e pu` o tutelare lâ''utilizzatore da intrusioni ed interferenze. La nuova applicazione, a differenza di altre â'tecnologie di prossimit` aâ' esistenti come il bluetooth, utilizza meccanismi di sicurezza piu efficaci che, abbinati alle tecniche di autenticazione ed identificazione proprie delle SIM Card, quali il codice identificativo conosciuto solo dallutilizzatore (il PIN - Personal Identification Number), consentiranno a Telecom Italia di offrire ai propri clienti una soluzione di pagamento sicura ed efficace. Sostituendo la SIM tradizionale con una ZSIM il telefonino si trasforma Figura 4.2: Sim con nodo ZigBee Integrato, (www.telecomitalia.it) quindi in un telecomando intelligente che interagisce con le reti di utilit` a che ognuno di noi potr` a creare in un prossimo futuro in casa propria for- mate da elettrodomestici, computer, stereo, tv, decoder impianti di luci e 4.1 Cosâ''` e la Z-Sim 89 riscaldamento. Grazie alla nuova scheda, dotata di una tecnologia radio di ultima generazione, tutti i telefonini dei clienti TIM potranno â'parlareâ' con qualsiasi terminale o oggetto equipaggiato con la stessa SIM, semplicemente premendo un tasto del cellulare. Le due schede, una volta che si saranno â'riconosciuteâ' consentiranno al tele- fonino di gestire gli elettrodomestici (attivare caldaie, modificare le tempera- ture, controllare il sistema di innaffiamento del giardino, accendere e spegnere le luci delle abitazioni e gestire i file del computer). Inoltre, le Smartcard dei decoder di uso comune, dotate della nuova tecnologia, renderanno possibile il â'dialogoâ' con i telefonini che diventeranno il mezzo per acquistare i pro- grammi televisivi, senza dover collegare il decoder alla presa telefonica. Il telefonino potr` a interagire con il decoder tv ed acquistare la partita della squadra del cuore, il film preferito oppure consentire la ricarica della smart card prepagata senza pi` u recarsi ad un punto autorizzato. Con la ZSIM Tele- com Italia dar` a il via ad una nuova generazione di servizi che faciliteranno la vita quotidiana: acquisteremo biglietti al cinema senza pi` u dover fare lunghe code, accederemo a servizi di e-government, interagiremo con lâ''ambiente per monitorare lâ''inquinamento, il traffico pagare parcheggi e pedaggi. La nuova SIM garantisce la sicurezza delle transazioni perch` e pu` o tutelare lutilizzatore da intrusioni ed interferenze. La nuova tecnologia radio e sta- ta abbinata alle carte dei telefonini per la prima volta al mondo da TIM e dal centro di ricerche e sviluppo di Telecom Italia a Torino che hanno reso operativo e brevettato il progetto. 90 4. Caso Studio: Z-Sim 4.2 ZigBee nel Telefonino Lâ''integrazione della tecnologia Zigbee sui terminali consente allâ''utente di interagire direttamente con le reti ad hoc e di sensori presenti nellâ''ambiente, aprendo importanti scenari applicativi e di utilizzo. Therabyte di dati, vei- colati attraverso le reti dellâ''operatore verso i centri servizi, vengono raccolti, correlati ed elaborati, trasformandosi in informazioni utili per il nostro vivere quotidiano. Si creano cos`Ä± [24]sistemi di reti eterogenee nei quali le Wireless Personal Area Networks e le reti tradizionali dellâ''operatore cooperano per monitorare e controllare ambienti quali la casa, lâ''auto, la citt` a. Il nodo gateway, elemento chiave dellâ''interazione con la rete di distribuzione, Figura 4.3: ZigBee Gatway Integrato su terminale, (www.telecomitalia.it) integrato nellâ''ecosistema dellâ''operatore pu` o configurarsi come un terminale mobile (Smartphone, PDA - Personal Digital Assistant) o fisso (per esempio, Access Gateway) in cui viene integrato un nodo ZigBee. I nodi sensori delle reti ad hoc, come si ` e visto in precedenza, sono tipicamen- te caratterizzati da scarse risorse computazionali, di memoria ed energetiche: lâ''integrazione del nodo gateway su terminale consente invece di superare tali limitazioni, utilizzando le risorse del terminale stesso. In questo contesto eterogeneo lâ''architettura di rete include stazioni base per 4.2 ZigBee nel Telefonino 91 lâ''accesso alla rete fissa, terminali fissi e mobili per il trasferimento dellâ''infor- mazione, nodi di sensori distribuiti; si configura perci` o come unâ''architettura ibrida che coniuga lâ''accesso wireless a reti tradizionali con lo scambio di infor- mazioni tipico delle reti ad hoc, sfruttando nuovi paradigmi di instradamento basati su architetture gerarchiche. Questi paradigmi fanno leva su sinergie tra le capacit` a di trasmissione, e quindi di trasferimento dati, proprie dei nodi sensori e di terminali 2.5/3 G. Lâ''operatore, in questo scenario di rete pervasiva fisso/mobile estesa ad un ambiente sempre pi` u â'intelligenteâ', pu` o giocare cos`Ä± un ruolo strategico im- portante, creando un ecosistema unico di cui assumere il controllo, non solo come trasportatore di dati, ma identificandosi come garante di sicurezza e affidabilit` a (fidelizzazione del cliente) e gestore della personalizzazione ed integrazione con i bisogni e le esigenze dellâ''utente. 92 4. Caso Studio: Z-Sim 4.3 Scenari Dâ''uso Come possiamo notare dallâ''immagine sottostante la Z-sim trasforma il cellulare in un Gateway ZigBee tra le reti della WPAN ZigBee e lâ''operato- re della rete mobile abilitando una vasta gamma di servizi. Il compito del terminale mobile e quello di raccogliere collezionare, processare, aggregare e visualizzare tutte le informazioni. Questa tecnologia potra essere usata non solo in ambiente domestico ma anche allesterno: le nuove SIM interagiranno, infatti, anche con analoghe schede inserite nelle apparecchiature utilizzate per il pagamento dei biglietti del cinema, dei parcheggi e dei pedaggi auto- stradali. Figura 4.4: Scenari Dâ''uso, (www.telcomitalia.it) I scenari dâ''uso dove ` e possibile sfruttare la Z-Sim sono: â'¢ Tracciabilit` a dei pazienti; â'¢ Controllo Accessi; â'¢ Controllo zone riservate; â'¢ Controllo Aeroporti; â'¢ Controllo Musei; 4.3 Scenari Dâ''uso 93 4.3.1 Acquisto assistito dei beni di consumo Questo sistema dotata di tecnologie radio avanzate, lo possiamo definire un sistema di Data Collectio, perch` e grazie ad esso il cliente potr` a ragionare sullâ''acquisto di un prodotto,leggendo tutte le informazioni arrivate sul pro- prio terminale mobile dotato di una Z-sim. Nel momento in cui il prodotto selezionato viene messo allâ''interno del carrello ` e possibile come si nota dal- la figura sottostante ricevere tutte le informazioni relative al prodotto dai database di riferimento partendo da un codice a barre oppure un RFID. In questo modo il cliente viene identificato ed autenticato dal centro [28]servizi che ha accesso al suo profilo medico. Tutti i dati relativi al prodotto ed il profilo utente vengono incrociati per generare raccomandazioni specifiche al cliente (es. intolleranze, compatibilit` a con la dieta, attivit` a suggerite per smaltimento calorie, ecc.). Figura 4.5: Acquisto Assistito, (www.telecomitalia.com) 94 4. Caso Studio: Z-Sim 4.3.2 Cardio Gps Il Cardio GPS nasce per garantire la sicurezza delle persone infartuate, soprattutto nei casi in cui non ` e possibile permettersi una forma di assisten- za domiciliare. Lâ''obiettivo ` e consentire al sistema sanitario di intervenire in caso di emergenza, attraverso la segnalazione di un dispositivo automatico, che funzioni tramite un sistema di posizionamento GPS e tecnologie ZigBee. Il paziente infartuato, nel momento in cui viene dimesso, riceve un corpetto in microfibra, dove allâ''interno di questo corpetto ci sono un insieme di tec- nologie tra cui la Z-Sim. Qualora i sensori cardiaci registrino delle aritm`Ä±e, vengono inviati i dati dellâ''ECG al servizio di emergenza cardiologica; Lâ''invio di questi dati permette al cardiologo di visualizzare in tempo reale lâ''elet- trocardiogramma del paziente, i suoi dati personali e la sua cartella clinica; inoltre, grazie al modulo Gps, vengono inviati i dati per la localizzazione della persona; Una volta stabilita la gravit` a delle aritm`Ä±e, si predispone lâ''eventuale invio di unâ''ambulanza presso il paziente. Lo ZigBee [29]consente al corpetto di dialogare con due reti distinte: Una rete domestica di controllo, composta da un router, il cui compito ` e stabilire una connessione remota con il car- diologo curante, che pu` o monitorare a distanza le condizioni del paziente, e da uno smartphone, che funge da interfaccia grafica per la visualizzazione dellâ''elettrocardiogramma e di altri dati come i valori cardiaci; Figura 4.6: Cardio GPS, (http://www.slideshare.net) 4.3 Scenari Dâ''uso 95 4.3.3 BibliotecaTicket Il sistema BiblioTicket permettere agli abitanti di Assago di condividere le proprie conoscenze tramite una rete collaborativa utilizzando i mobile de- vice. La struttura della biblioteca viene vissuta dagli utenti in modo molto individuale, essi studiano per conto proprio senza condividere interessi e co- noscenze. Lâ''idea di questo sistema e quello di [']condividere, scambiare dati e cono- scenze tra gli abitanti di Assago allâ''interno della biblioteca utilizzando un dispositivo mobile â'Smartphone â' che comunica tramite la tecnologia Zig- Bee, in particolare grazie alla Z-sim. La piattaforma del sistema ` e formata da cinque stanze virtuali che offrono servizi di base: 1. Utente che offre aiuto; 2. Utente che cerca aiuto; e servizi complementari: 1. Catalago libri; 2. Chiacchiere e svago; 3. Bacheca elettronica; Lâ''utilizzo di nuove tecnologie radio come Zigbee integrato allâ''interno di uno â'Smartphoneâ', sfrutta le connessioni wireless permettendo ai vari device di comunicare tra di loro. La tipologia di collegamento formta da questo si- stema e simile a una vera e propria rete telematica, formata dai dispositivi principali che vengono usati in una rete zigbee. Il nodo Coordinatore deve essere presente in ogni rete e coordina la creazione della rete ZigBee, il nodo Router partecipa alla consegna dei mesaggi tra gl utenti e in fine il device, cio` e la SIM con nodo ZigBee integrato che riceve le richieste. Un esempio di come potrebbe essere utilizzato questo sistema ` e rappresentato dal seguente scenario: 96 4. Caso Studio: Z-Sim Figura 4.7: Scenario Applicativo, (www.slideshare.net) Due utenti, come dâ''abitudine, sono in biblioteca a studiare. Il Primo ` e alle prese con i libri di informatica, in quanto domani sosterr` a una prova scrit- ta, ma incontra difficolt` a nellâ''imparare alcuni concetti dello standard IEEE 802.11. Decide a questo punto di utilizzare il servizio che offre la biblioteca per cercare qualcuno che lo possa aiutare, ed entra col suo smartphone nel- la stanza Offro Aiuto. Qui si accorge che un utente da la sua disponibilit` a ad aiutare altre persone in materie scientifiche-informatiche e decide di ri- spondere allâ''annuncio. Lâ''utente che offre aiuto, riceve la richiesta sul suo cellulare da parte del server e risponde con una conferma della sua disponibi- lit` a. Dopo aver ricevuto la risposta i due utenti si incontrano per conoscersi e iniziare a studiare. 4.3 Scenari Dâ''uso 97 4.3.4 Fitness Traning Il progetto Angel, ha attivamente contribuito alla creazione di soluzioni funzionali e tecnologiche innovative, che consentono lo sviluppo e la diffu- sione di unâ''ampia gamma di servizi di wellness ed healthcare, ad esempio per supportare e migliorare gli effetti dellâ''esercizio fisico, il monitoraggio continuativo dei parametri fisici, per segnalare eventuali anomalie, per la personalizzazione delle condizioni climatiche e di illuminazione dellâ''ambiente lavorativo o residenziale. Il primo dimostratore del progetto fornisce un esempio di servizio di fitness training attraverso il quale lâ''utente pu` o essere seguito da un trainer che pre- para piani di allenamento personalizzati che vengono scaricati sul proprio cellulare. Lâ''utente dispone inoltre di un dispositivo contapassi con interfac- cia wireless ZigBee, in grado di calcolare passi eseguiti, distanza percorsa, velocit` a istantanea e consumo di calorie. Quando viene eseguita la sessio- ne di training, i dati del contapassi vengono inviati dal cellulare al centro servizi dove verranno memorizzati, consentendo in seguito al trainer di con- trollare lo svolgimento della sessione e di fornire opportune indicazioni per il miglioramento delle performance. Lo scenario dimostrato ` e ovviamente un Figura 4.8: Servizio di Fitness Trainig, (www.telecomitalia.it) semplice esempio di servizio che pu` o essere esteso a situazioni pi` u complesse1 1Piattaforma utilizzata per realizzare sistemi di monitoraggio continuativo dello stato di persone anziane o individui affetti da particolari patologie (4.3.2). 98 4. Caso Studio: Z-Sim in cui vengono utilizzati ulteriori sensori che, raccogliendo parametri vitali (ad esempio ad un cardiofrequenzimento), forniscono utili indicazioni sullo stato di affaticamento della persona e sul superamento di determinate soglie; dal centro servizi si possono inviare segnalazioni di allarme. Conclusioni In pochi anni Internet ha rivoluzionato il nostro modo di comunicare e di accedere allâ''informazione. Ormai cercare informazioni su siti o su librerie elettroniche tramite il web, inviare messaggi con email, scambiarsi file con le applicazioni peer-to-peer, e â'chattareâ' con gli amici ` e diventato abituale per tutti o almeno per le nuove generazioni. E la rivoluzione non ` e ancora finita. Lâ''Internet del Futuro ` e oggi uno degli argomenti di ricerca su cui la comunit` a internazionale investe di pi` u. Lâ'' accesso a Internet attraverso le reti wireless come UMTS, WiFi, WiMax promettono ad un crescente numero di utenti di accedere alle applicazioni Internet ovunque si trovino. Persino gli ogget- ti della nostra vita quotidiana quali automobili e elettrodomestici verranno presto collegati alla Rete per aumentare la nostra capacit` a di interazione e controllo. Le nostre citt` a e gli ambienti naturali protetti si riempiranno di sensori collegati alla Rete per consentirci di segnalare e prevedere situazioni di pericolo o disastri naturali. Anche la gestione delle risorse energetiche sar` a presto un altro dei servizi di Internet diventando lo strumento per aumentare lâ''efficienza nella generazione e nel consumo di energia e diminuire lâ''impatto ambientale. Le reti di sensori wireless rappresentano uno degli argomenti pi` u prometten- ti nellâ''attuale panorama scientifico. I possibili campi di applicazione sono vastissimi e inesplorati. Ad oggi,tuttavia, la realizzazione di molti dei pos- sibili scenari applicativi appare ancora lontana. Gli ostacoli principali sono costituiti dal costo ancora elevato dei nodi sensore, dalla scarsa autonomia energetica e dalla limitatezza delle capacit` a dâ''elaborazione e trasmissione. In 99 100 CONCLUSIONI questo testo oltre ad analizzare i principali campi di applicazione, si f` a rife- rimento anche ad uno standard di comunicazione ch` e permette di risolvere il problema dellâ''autonomia energetica. Con lâ''evoluzione della tecnologia, il mercato dei sensori offre non solo prodotti sempre pi` u precisi e affidabili, ma anche funzionalit` a sempre pi` u sofisticate, e nuovi tipi di modalit` a di comuni- cazione, tra cui la possibilit` a di comunicare attraverso le tecnologie wireless. Come si evince dal mio elaborato le reti di sensori wireless Wireless Sensor Networks, rappresentano ormai una realt` a consolidata nellâ''ecosistema del- lâ''IT. Le WSN stanno sempre pi` u estendendo le loro funzionalit` a e campi di applicazione per via delle loro capacit` a di interagire con lâ''ambiente circostan- te e in qualsiasi situazione. Quello che ho voluto descrivere ` e la possibilit` a di raccogliere informazioni (Data Collection) allâ''interno di reti che potesso- ro sfruttare i protocolli dello standard dellâ''IEEE 802.15. In particolare ho messo in evidenza i vantaggi di utilizzare lo standard zigBee (802.15.4) ri- spetto ad altre tecnologie, in quanto con il passare degli anni, sia WiFi che Bluetooth non riescono a rispondere alle necessit` a dei nuovi scenari dâ''uso, che non richiedevano un aumento della velocit` a di trasferimento, benss`Ä± una semplificazione della tecnologia, dei consumi ridotti e una capacit` a della rete radio digitale ad hoc di â'autoorganizzarsiâ'. Lâ''obiettivo principale di tale tecnologia ` e quello di permettere la realizzazione di una rete mesh in manie- ra semplice, economica e soprattutto autogestita, attraverso dispositivi che hanno un consumo talmente basso da poter funzionare anche per anni con la stessa batteria. ZigBee ` e una tecnologia radio emergente che permette la creazione di reti ad hoc di oggetti intelligenti, abilitando una moltitudine di servizi innovativi che spaziano dallâ''automazione domestica al monitoraggio dellâ''ambiente. Come si ` e visto, sono innumerevoli le applicazioni che traggono vantaggio dallâ''uso della tecnologia ZigBee, lâ''unico limite ` e la fantasia. Tutto questo comporta uno stile di vita migliore, garantendo il pieno controllo di tutti gli oggetti utilizzati. Tutto questo sicuramente rivoluzioner` a la nostra vita quotidiana. Bibliografia [1] Giovanni Gamba, â'Sviluppo di una rete di sensori wireless in tecnologia IEEE 802.15.4,â' http://www.dei.unipd.it. [2] Dipartimento di ingegneria dellâ''informazione, â'Ricerca Scientificaâ' http://www.dei.unipd.it, 2010. [3] Wireless Sensor Networks, â'Wikipediaâ', http://it.wikipedia.org/wiki/Wireless Sensor Networks, 2010. [4] Zuh Song, Tesi di laurea, â'Controllo e gestione di una Wireless Sensor Networkâ', http://www.dbgroup.unimo.it, 2009. [5] Natiional Instruments, â'Cosâ''` e una rete di sensori wirelessâ', http://zone.ni.com, 2011. [6] Elisa Rambaldi, â' Sviluppo di Sensori ZigBeeâ', http:// www.unimi.it, 2008. 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[29] Massimo Fusco, Andrea Riccio, Tecnologia Applicata allâ''impresa, â'Cardio GPSâ' http://www.slideshare.net. [30] Pierangelo Marino, Mauro Turolla, Salute e benessere, â'Nuovi servizi ed opportunit` a per lâ''operatore di Telecomunicazioniâ', http://www.telecomitalia.com., Marzo 2009. Ringraziamenti Qui possiamo ringraziare il mondo intero!!!!!!!!!! Ovviamente solo se uno vuole, non ` e obbligatorio.

Una rassegna di sistemi di data collection basati su tecnologia ZigBee

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