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Studio, realizzazione e confronto di tecniche di risparmio energetico per applicazioni su reti di sensori ZigBee

In molteplici contesti applicativi la gestione efficiente delle risorse e il monitoraggio di misure ambientali come la temperatura e la luminosità sono sempre più aspetti dai risvolti non solo economici ma anche etici. Il reperimento dall’ambiente delle informazioni necessarie è solitamente affidato a tecnologie di rete chiamate Network Embedded System (NES) che consistono in numerosi chip autonomi diffusi e interconnessi tra loro per lo più in modalità wireless. I domini applicativi sono tra i più svariati, pensiamo ad esempio all’ambiente industriale, domotico, auto motive, medico etc. Queste tecnologie sono progettate per bassi transfer rate e alimentazioni energetiche limitate (solitamente batterie); inoltre, viene richiesta una gestione automatica nelle attività di rete come la scoperta e la connessione di nuovi nodi o il routing dei pacchetti nel caso vengano a mancare nodi di rete. Molto spesso, oltre a quanto detto, occorre rispettare vincoli di real-time.

Il lavoro di tesi paragona, dal punto di vista dei consumi energetici, tre schemi di comunicazione applicati a due scenari applicativi differenti. Viene utilizzato ZigBee, il diffuso stack di protocolli per reti di sensori wireless e i chip Texas Instruments CC2430, fornendo un’utile guida per un primo utilizzo di queste tecnologie e indicazioni per il calcolo dei consumi energetici del singolo chip.
Sono diversi i risultati ottenuti. In primo luogo, vengono individuati i fattori che più influenzano i consumi sul singolo sensore e che il progettista dovrà considerare di volta in volta in base ai particolari requisiti di sistema. In secondo luogo, il lavoro è facilmente generalizzabile ad altre tecnologie, mostrando come è possibile misurare i consumi energetici su singolo chip in relazione allo schema di comunicazione utilizzato.

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Sommario Le tecnologie per NetworkEmbeddedSystem (NES), siano esse hardware o software, devono considerare alcuni aspetti fondamentali derivanti dai particolari scenari applicativi nei quali sono immerse. Sono tecnologie progettate per basso transfer rate, alimentazioni energetiche limitate (solitamente batterie) e alle quali viene richiesta grande dinamicità nelle attività di rete gestita in modo automatico (es., discovery e binding). Molto spesso oltre a quanto detto occore rispettare vincoli (soft o hard) di real-time. I domini applicativi sono tra i più svariati, pensiamo ad esempio all’ambiente industriale, domotico, auto motive, medico etc. Questo lavoro vuole presentare e paragonare dal punto di vista energetico tre applicazioni per reti di sensori ZigBee su chip Texas Instruments CC2430. Più in particolare, pur svolgendo le stesse funzionalità di base, utilizzano protocolli applicativi differenti dai quali si cercherà di estrapolare vantaggi e svantaggi non solo dal punto di vista energetico ma anche funzionale. Partendo con una presentazione delle risorse hardware e software usate si prosegue con una panoramica dei due applicativi enfatizzando gli aspetti che più influenzano il nostro focus (consumi energetici) per arrivare alla quantificazione dei consumi in due scenari differenti. Dai risultati ottenuti si capirà che il progettista di applicazioni NES non ha a disposizione una soluzione ottima in assoluto ma deve considerare ogni volta tutta una serie di fattori. Inoltre spesso, ma non sempre, efficienza energetica e funzionalità offerte sono dimensioni trasversali di uno stesso problema e il trade-off va ricercato volta per volta sulla base dei vincoli imposti dal dominio applicativo. Introduzione Nel documento vengono studiate due applicazioni (SimpleApp1 e SimpleApp2) che pur garantendo alcune funzionalità comuni di base sono caratterizzate da protocolli applicativi differenti. Esse sono state sviluppate sullo stack di protocolli ZigBee compliant Z-Stack e compilate ed eseguite su chip CC2430: si cercherà comunque si mantenere, ove possibile, una linea distaccata dalla tecnologia di riferimento. Tutti gli strumenti utilizzati durante il lavoro sono presentati nella sezione Strumentazioni e tools. La coerenza con le misurazioni ufficiali Texas Instruments è stata verificata nel lavoro di tesi [18] . SimpleApp3 è una variante di SimpleApp2 avente lo stesso protocollo applicativo e verrà utilizzata per verificare l’impatto sui consumi delle politiche di Power Saving offerte da Z-Stack. Vengono elencati i principali obbiettivi che si vogliono raggiungere in ambito WirelessSensorNetwork: 1.Studiare in che modo e in quale misura la scelta di un protocollo applicativo incide sui consumi energetici; 2. Quali sono i caratteri da considerare in fase di progettazione dell’applicazione; 3. Fornire misurazioni e stime specifiche alla tecnologia utilizzata (Z-Stack e chips CC2430); 4. Quali sono (nel caso dei CC2430 ma è un risultato generalizzabile) le attività hardware più dispendiose; 5. Come opera e su quali fattori critici gioca una buona politica software di Power Saving? Le tre applicazioni sono presentate nella sezione Presentazione delle applicazioni dove vengono descritti i caratteri comuni e caratterizzanti di ciascuna di esse, la funzione di costo energetico, le variabili e le flag di compilazione più importanti per un corretto utilizzo. Viene poi presentata graficamente la comunicazione tra i nodi e una traccia di packet sniffing (MAC e Application(APS) level). In Misurazioni energetiche si introduce il setup degli esperimenti e la metodologia seguita per arrivare a quantificare le funzioni di costo presentate. La traccia seguita è simile a quella illustrata nel documento Texas Instruments [14] . Nella sezione Caratterizzazione fasi si è costruito un set di misurazioni relative a configurazioni hardware standard allo scopo di ridurre al minimo gli errori umani nel passaggio dal grafico dei consumi alla misura numerica di corrente, dare un criterio logico alle attività del nodo e non considerare le differenze quantitative (ma non concettuali) tra le stesse fasi relative ad applicazioni differenti o esecuzioni differenti. In Scenario1 e Scenario2 sono presentati due domini applicativi differenti e per ciascuno di essi sono state compilate, eseguite e confrontate le tre applicazioni SimpleApp1, SimpleApp2 e SimpleApp3. Si è poi proceduto alla misurazione sul nodo e allo studio delle funzioni ottenute ( Comparativi ). Nelle Conclusioni vengono toccati aspetti generali per le applicazioni NES, condizioni da considerare per una corretta lettura dei risultati ottenuti e per ciascuna applicazione viene fornito un bilancio che consideri consumi e caratteristiche funzionali. Per una introduzione teorico-pratica utile alla lettura del documento si può consultare la sezione Cenni di teoria. Durante la lettura si troveranno riferimenti bibliografici, a Cenni di teoria e spunti per eventuali lavori di approfondimento. Pagina 5 di 62

Laurea liv.I

Facoltà: Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali

Autore: Paolo Parise Contatta »

Composta da 62 pagine.

 

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Disponibile in PDF, la consultazione è esclusivamente in formato digitale.