Interconnessione wireless di sensori per automazione industriale

Le comunicazioni wireless, ed in particolare il Wireless Networking, rappresentano una 
tecnologia in rapida espansione che consente all' utente un accesso a reti e servizi senza 
necessità di cablaggi. 
Possiamo  pensare,  ad  esempio,  ad  un  utente  provvisto  di  una  serie  di  dispositivi, 
generalmente  indipendenti  l'  uno  dall'  altro,  quali  il  telefono  cellulare,  il  computer 
portatile,  il  PDA e  cosi  via  ed  immaginare  una  situazione  in  cui  questi  dispositivi 
possano interagire fra di loro per condividere documenti presenti sul proprio computer 
portatile oppure per ricevere la posta elettronica sul PDA invece che sul computer fisso 
e tutto ciò senza necessità di alcun cablaggio. 
Tutto questo oggi è già possibile dal punto di vista tecnologico e le sperimentazioni 
sono già state avviate con successo in molte parti del mondo, Italia compresa. 
Le reti locali wireless sono senza dubbio uno dei possibili  fulcri dell'attuale e futura 
innovazione tecnologica.
Ovviamente  l'approccio  wireless  nella  realizzazione di  reti  di  computer  presenta dei 
vantaggi ma anche degli svantaggi rispetto al classico approccio cablato. 
Per la realizzazione di questa tesi si sono studiate varie tecnologie wireless come WiFi, 
Bluetooth e ZigBee ed in modo particolare queste ultime due mettendole a confronto su 
diversi aspetti, preferendo alla fine di questa analisi la tecnologia ZigBee.
Sono state  esaminate  dettagliatamente  tutte  le  possibili  applicazioni  delle  tecnologie 
wireless nel campo dell’ automazione.
A questo punto lo studio si è incentrato sui sensori di temperatura ed in particolare sulle 
termocoppie e sulle termoresistenze, poiché l’ obiettivo era progettare un trasmettitore 
di temperatura wireless, cioè misurare la temperatura attraverso termocoppie di tipo J, K 
o  termoresistenze  Pt100 e  collegare  tali  sensori  attraverso  un  opportuno circuito  d’ 
interfaccia  alla  Meshbean2  board,  che  è  un  dispositivo  wireless  prodotto  dalla 
Meshnetics.
Dopo  questa  parte  di  studio  riguardante  sensori  di  temperatura,  si  è  passati  alla 
progettazione del circuito di interfaccia: la configurazione del ponte di Wheatstone più 
adatta possibile alla nostra applicazione, il dimensionamento di filtri per l’ eliminazione 
dei disturbi e di circuiti di compensazioni delle tensioni di offset.
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Una volta configurato correttamente il circuito d’ interfaccia si è passati alla stesura del 
codice, in ambiente AVR Studio 4; sono stati  realizzati  diversi  firmware secondo le 
esigenze:
• Rilevamento  temperatura  tramite  termocoppia  J  e  compensazione  del  giunto 
freddo tramite termoresistenza Pt100
• Rilevamento  temperatura  tramite  termocoppia  K e compensazione  del  giunto 
freddo tramite termoresistenza Pt100
• Rilevamento  temperatura  tramite  termocoppia  J  e  compensazione  del  giunto 
freddo tramite il sensore di temperatura installato sulla Meshbean2 board
• Rilevamento  temperatura  tramite  termocoppia  J  e  compensazione  del  giunto 
freddo tramite il sensore di temperatura installato sulla Meshbean2 board
• Rilevamento della temperatura tramite termoresistenza Pt100
Infine  sono  stati  effettuati  test  sperimentali  in  laboratorio  per  verificare  il 
funzionamento del prototipo sviluppato seguiti da un’ analisi prestazionale.
1. Tecniche wireless, aspetti specifici, 
vantaggi e svantaggi
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Teoricamente,  gli  utenti  di  una  rete  locale  wireless  vogliono  usufruire  degli  stessi 
servizi e vorranno disporre delle stesse potenzialità cui una rete cablata li ha abituati. In 
pratica, l' equivalenza tra i due approcci wireless e wired, è una sfida aperta. 
In particolare l'approccio wireless, a fronte di innegabili vantaggi, è soggetto ad alcuni 
limiti non presenti nell'approccio cablato. 
Osserviamo i punti chiave del confronto tra i due approcci:
• Mobilità:  è uno dei vantaggi maggiori  dei terminali  wireless nei confronti  di 
quelli  cablati,  che  sono  statici  quando  connessi  alla  rete  locale.  La  mobilità 
impone,  peró,  la  necessità  di  considerare,  a  livello  di  sviluppo di  sistemi,  il 
problema dell'  "handoff".  In  una  wireless  LAN ogni  terminale  ha  un'area  di 
copertura  chiamata  "cella",  sfruttando  un  paradigma  delle  reti  di  telefonia 
cellulare; in teoria, le celle di una stessa rete si sovrappongono e quindi, per la 
maggior parte del tempo, un terminale si trova all'interno della cella di uno o più 
terminali. Se i terminali sono mobili, essi devono poter passare da una cella ad 
un'altra in maniera "trasparente" e senza perdere la connessione alla rete. Questo 
processo di passaggio è detto appunto handoff. 
Grazie alla mobilità dei terminali è più facile la gestione della loro posizione 
ovvero è agevolata la scalabilità delle reti. Di solito in fase di progetto di nuovi 
edifici , si potrebbe considerare la possibilità di cablare gli ambienti dedicati alla 
presenza di nodi di una rete locale (uffici, centri di calcolo e cosi via). È ovvio 
che  tutto  diventa  più  difficile  per  edifici  già  esistenti  e  per  cui  non  è  stata 
prevista  la  suddetta  possibilità.  Quest'ultima  situazione  è  invece  facilmente 
gestibile  con  le  reti  locali  wireless.  È  notevolmente  più  semplice  inoltre 
l'installazione  di  una  rete  locale  laddove  limiti  ambientali  e  strutturali 
impedirebbero l'installazione e la gestione di una rete locale cablata standard
• Allocazione delle  frequenze:  tutti  gli  utenti  di  una stessa  rete locale  wireless 
devono operare su una banda di frequenza comune, a prescindere dal mezzo 
trasmissivo  scelto.  Le  bande  di  frequenza  dedicate  a  particolari  applicazioni 
devono ,di solito, essere approvate e necessitano di una licenza. Inoltre questa 
regolamentazione può variare da paese a paese
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• Interferenza: nelle comunicazioni wireless può essere causata dalle cosiddette 
collisioni,  ovvero  trasmissioni  simultanee  da  parte  di  due  o  più  terminali 
wireless nella stessa banda di frequenza
• Affidabilità: l' affidabilità del canale di comunicazione è misurata in BER (Bit  
Error  Rate).  Questo  valore  indica  il  numero di  bit  che  hanno presentato  un 
errore relativamente al  numero totale di  bit  ricevuti  per una trasmissione. Di 
solito viene espresso con una potenza negativa del dieci e dà un'indicazione di 
quante volte un pacchetto (o un'altra unità informativa) dev' essere ritrasmessa a 
causa di un errore
• Riservatezza dei dati: In una rete cablata il mezzo di trasmissione può essere 
reso sicuro fisicamente e l'accesso alla rete può essere controllato facilmente. In 
una wireless, invece il mezzo trasmissivo è aperto a tutti i terminali wireless che 
si trovano nel raggio d'azione di un trasmettitore ed è perciò più difficile gestire 
la sicurezza sia delle trasmissioni che dell'accesso alle varie reti. La riservatezza 
dei dati e la protezione degli accessi sono di solito realizzati tramite crittografia 
a vari livelli. Alcune conseguenze dell'adozione di un certo grado di sicurezza 
indurranno probabilmente una certa riduzione delle prestazioni insieme ad un 
aumento dei costi dei dispositivi
• Consumo di potenza:  i  dispositivi di  una rete cablata standard di solito sono 
alimentati  dalla tensione di rete. I dispositivi wireless invece, dovendo essere 
portatili nonché mobili, sono di solito alimentati a batteria. Essi devono perciò 
essere  progettati  con  la  massima  attenzione  per  quanto  riguarda  l'efficienza 
energetica
• Sicurezza  degli  utenti:  Sono  in  corso  da  diverso  tempo  molteplici  studi  sui 
problemi che le emissioni RF ( Radio Frequenza ) potrebbero causare alla salute 
dell'utente. Le reti devono perciò essere progettate per minimizzare la potenza 
trasmessa dai dispositivi di rete
Le principali tipologie di reti wireless sono due:
• WLAN
• WPAN
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1.1 WLAN e standard IEEE 802.11
WLAN, indica una “rete locale senza fili” che sfrutta la tecnologia wireless. Con la sigla 
WLAN si indicano genericamente tutte le reti locali di computer che non utilizzano dei 
collegamenti via cavo per connettere fra loro gli host della rete.
In una Wlan viene utilizzata una tecnologia a radio frequenza RF per la trasmissione e 
la  ricezione  dei  dati,  minimizzando  la  necessità  di  connessioni  via  cavo  (wired), 
favorendo così una discreta mobilità.
Una rete wireless può essere un'estensione di una normale rete cablata,  supportando 
tramite un access point, la connessione a dispositivi mobili e a dispositivi fissi (pc).
In generale le architetture per sistemi wireless (figura 1) sono basate due tipologie di 
dispositivi:
• Access Point (Ap) 
• Wireless Terminal (WT) 
Gli access point sono bridge che collegano la sottorete wireless con quella cablata, come 
abbiamo detto,  mentre  i  wireless  terminal  sono dei  dispositivi  che  usufruiscono dei 
servizi  di  rete.  Gli  AP  possono  essere  implementati  sia  in  hardware  (esistono  dei 
dispositivi dedicati) che in software appoggiandosi per esempio ad un pc, o notebook 
dotato sia  dell’interfaccia  wireless sia  di  una scheda ethernet.  I  WT possono essere 
qualsiasi  tipo di  dispositivo  come per  esempio  notebook,  palmari,  PDA, cellulari,  o 
apparecchiature che interfacciano standard IEEE 802.11.
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