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Sistema per la riprogrammazione wireless ed il monitoraggio delle reti di sensori wireless

Informazioni tesi

  Autore: Paolo Latella
  Tipo: Tesi di Laurea
  Anno: 2007-08
  Università: Università degli Studi di Roma La Sapienza
  Facoltà: Ingegneria
  Corso: Ingegneria Informatica
  Relatore: Andrea Vitaletti
  Lingua: Italiano
  Num. pagine: 153

Le reti di sensori wireless (WSN) sono reti i cui nodi sono dotati di un microprocessore che consente loro di effettuare operazioni di calcolo,di un ricetrasmettitore a radio frequenza che permette di interagire con gli altri nodi dellarete, e di uno o più componenti in grado di monitorare una grande varietà di condizionifisiche (temperatura, pressione, umidità, luminosità, composizioni chimiche, ecc.). Le ridotte dimensioni della piattaforma hardware e la scarsa disponibilità di energia di cui i nodi sensore sono dotati influiscono fortemente sulla progettazione dell’applicazione:il software svilluppato dovrà essere molto semplice e dunque poco ingombrante e l’utilizzo delle risorse deve avvenire ottimizzando i consumi energetici. Allo stesso tempo è importante progettare delle piattaforme che permettano di scrivere programmi in linguaggi ad alto livello e che consentano allo sviluppatore di riutilizzare il codice scritto.
Nel nostro caso tutto ciò equivale ad utilizzare il sistema operativo TinyOS ed il linguaggio NesC come piattaforma software per le nostre applicazioni, e ad impiegare i motes TelosB della Crossbow come piattaforma hardware.
Una volta introdotte le piattaforme hardware e software, passeremo ad illustrare l’architettura software ed il funzionamento del sistema WSN-ReMoSys (Wireless Sensor Networks Reprogramming and Monitoring System). Tale sistema nasce dalla necessità di disporre di un sistema portabile che dia al progettista la possibilità di riprogrammare over-the-air i nodi di una WSN e che allo stesso tempo consenta di conoscere a distanza lo stato della rete. Uno strumento del genere è una valida soluzione al problema del management di una rete di sensori in tutti quegli scenari dove i nodi non sono fisicamente raggiungibili (es. battlefield surveillance e fire detection).
• Riprogrammazione wireless: questa funzionalità permette la riprogrammazione overtheair di tutti i nodi di una multihop wireless network. L’applicazione estende inoltre le funzionalità di TinyOS e Deluge offrendo la possibilità di programmare direttamente dall’interno del sistema e senza l’ausilio del framework di TinyOS i nodi collegati alla porta usb, così come la possibilità di invocare deluge mediante comandi http-based.
• Monitoring dei nodi sensore: questa funzionalità si basa su un meccanismo di start/stop collection, che consente al progettista di avviare o arrestare il monitoring della rete. Grazie ad un’applicazione java installata sulla stazione base e mediante una controparte scritta in NesC ed installata sui nodi sensori, il tool è in grado di monitorare le risorse di rete dei motes.
Le due funzionalità vengono offerte attraverso due tool altamente modulari e indipendenti tra di loro; questa caratteristica consente di separare la logica di riprogrammazione da quella di monitoring, permettendo il riutilizzo dei componenti e l’integrazione in altri sistemi.
Un esempio di integrazione è quello tra Fuse1 ed il tool di riprogrammazione wireless:
la rete di sensori viene vista come un filesystem e le operazioni di scrittura equivalgono ad una riprogrammazione wireless dei nodi.Il tool capace di riprogrammare via wireless la rete può interfacciarsi sia con i sensori TelosB che i sensori Micaz della Crossbow (queste due piattaforme sono quelle maggiormente impiegate nelle WSN), e l’installazione del software così come l’invio e la ricezione dei comandi avviene mediante interfaccia usb. Questa applicazione è interamente scritta in Java, ed utilizza Jython2 per eseguire gli script python di TinyOS e Deluge senza la necessità di installare l’interprete python.
Per quanto riguarda invece il tool di monitoring, questo è composto da un’applicazione NesC e da un’applicazione Java. L’applicazione NesC si occupa di misurare le metriche di rete del nodo sensore su cui è installata e inviare tali dati alla stazione base, mentre l’applicazione java fornisce un metodo per interagire con essa. Il componente NesC in questione è stato progettato per tutti quei nodi sensori che utilizzano il chip CC2420 della Microchip (dunque Micaz e Telosb), ed il suo utilizzo avviene integrandolo nell’applicazione di rete come un qualsiasi altro componente TinyOS.Dopo aver approfondito l’architettura software del tool di riprogrammazione e quella del tool di monitoring, passeremo alle prove sperimentali condotte sul sistema al termine della sua fase progettuale. I test in questione ci permetteranno di valutare meglio le performance dell’applicazione, e di raccogliere eventuali spunti di riflessione per gli sviluppi futuri. I vari test, che si è deciso di condurre su sensori reali, senza l’ausilio di alcun sistema di simulazione, ci permetteranno inoltre di approfondire meglio il funzionamento del sistema analizzando nel dettaglio il comportamento dei singoli moduli e nel caso del sistema di monitoring di verificare la validità delle misure effettuate.

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Introduzione L’introduzione della comunicazione wireless tra i dispositivi elettronici e la continua evoluzione nel campo della tecnologiaMEMS (Micro Electro-Mechanical Systems) sta por- tando ad una rapida transizione del modello computazionale: si passa dall’interazione di- retta, uno-a-uno, con i nostri PC, i nostri telefoni cellulari, i nostri palmari, all’interazione uno-a-molti, in cui i sistemi di calcolo vengono inseriti in dispositivi di uso quotidiano (frigoriferi, TV, impianti di condizionamento, lavatrici, lavastoviglie, ecc.), in modo da consentire all’utente di fruire delle informazioni o dei servizi in maniera naturale, in ogni luogo ed in qualsiasi circostanza esso si trovi. Le reti di sensori wireless (WSN) sono la massima espressione di questa transizione: i nodi sono dotati di un microprocessore che consente loro di effettuare operazioni di calcolo, di un ricetrasmettitore a radio frequenza che permette di interagire con gli altri nodi della rete, e di uno o più componenti in grado di monitorare una grande varietà di condizioni fisiche (temperatura, pressione, umidità, luminosità, composizioni chimiche, ecc.). Le loro ridotte dimensioni, la capacità di autoorganizzarsi e la facilità con la quale effettaure il deployment li rende poi potenzialmente adatti a diversi scenari applicativi, soprattutto in quei casi dove una connessione wired risulta poco pratica (monumenti, casa) se non addirittura impossibile (terreni ostili, campi di battaglia, ecc.). Sebbene le reti di sensori siano nate in ambito militare, ed il loro utilizzo sia rimasto per alcuni anni limitato a tale campo e a quello della ricerca, oggigiorno è possibile individuare una vasta area applicativa: le WSN sono fortemente utilizzate nella coltura di precisione, per il monitoraggio di particolari specie di animali, nei processi industriali e nella logistica, in ambito medico e nel campo dell’ingegneria civile. Le ridotte dimensioni della piattaforma hardware e la scarsa disponibilità di energia di cui i nodi sensore sono dotati influiscono fortemente sulla progettazione dell’applicazione: il software svilluppato dovrà essere molto semplice e dunque poco ingombrante e l’utilizzo 8

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