Realizzazione di un sistema di alert e di configurazione remota per WSN

Alessandro Messina                                                                               Introduzione 
 
 
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In seguito, sfruttando le conoscenze acquisite, mi sono dedicato 
all’implementazione di un sistema di alert e di controllo remoto per una rete di 
sensori conforme alla suddetta tecnologia. 
 
Il sistema di alert permette di monitorare costantemente o, secondo i tempi 
stabiliti dall utente, le variazioni di temperatura, segnalando prontamente i 
rilevamenti fuori soglia; mentre, il sistema di controllo remoto, permette all utente 
un interazione completa con la rete. 
 
Per lo svolgimento di questo lavoro, come gi  detto , sono state  indispensabili, sia 
le conoscenze acquisite su 6LowPan, che la possibilit  di utilizzare un kit dedicato 
allo sviluppo di reti di sensori IEEE 802.15.4. 
 
Nel primo e secondo capitolo di questo lavoro di tesi, sono state affrontate le 
caratteristiche generali delle reti di sensori e le differenti tecnologie oggi 
disponibili, basate sullo standard IEEE 802.15.4:  6LoWPAN e ZigBee. 
 
In seguito, nel terzo capitolo sono stati analizzati gli ambienti di sviluppo 
utilizzati per lo studio e l’implementazione delle nuove applicazioni, descritte 
approfonditamente nel quarto capitolo.  
 
Infine, nel quinto capitolo, utilizzando differenti grafici, ho commentato i risultati 
riscontrati durante i test svolti, dimostrando l elevato grado di dinamicit  
raggiunto dall intera rete di sensori.  
Alessandro Messina                                                     Capitolo1 - Le reti di sensori 
 
 
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Capitolo 1 
Le reti di sensori 
 
 
 
 
 
1.1 Introduzione alle reti di sensori 
 
Con il termine Wireless Sensor Network, si intende letteralmente una rete di 
sensori senza fili, in cui i vari nodi spazialmente distribuiti sono costituiti da 
sensori o attuatori che permettono la gestione, il controllo o il monitoraggio di 
particolari fenomeni. 
Il sensore rappresenta una parte del sistema che compone una WSN, infatti, sono 
presenti anche altri elementi hardware e software che gestiscono le misurazioni, le 
elaborano e le inviano attraverso la tecnologia wireless. 
Molto spesso, l’utilizzo della tecnologia wireless Ł indispensabile, infatti, pu  
accadere che la zona da monitorare sia priva delle infrastrutture per le 
comunicazioni e per l’alimentazione energetica, quindi, una WSN Ł la soluzione 
ideale per questa tipologia di problema. 
Da questi bisogni, si Ł realizzata la ricerca per la creazione delle moderne WSN, 
che devono rispettare delle precise caratteristiche di: 
 
1. powersaving 
2. auto-configuration 
3. wireless-comunication 
4. data-processing 
 
Alessandro Messina                                                     Capitolo1 - Le reti di sensori 
 
 
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Lo scopo, di ogni nodo, Ł quello di far pervenire i dati rilevati presso una speciale 
entit  chiamata nodo sink, cioŁ un gateway, che avr  il compito di inviare 
l’insieme dei dati raccolti all’unit  centrale.  
Attraverso lo schema in figura 1.1, possiamo cogliere il principio di 
funzionamento di una rete di sensori, in cui i nodi comunicano tra di essi fino ad 
arrivare al nodo gateway (o sink), che istrader  le  informazioni all’utente. 
 
 
Figura 1.1: schema di una WSN 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Alessandro Messina                                                     Capitolo1 - Le reti di sensori 
 
 
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1.2 Storia e sviluppo delle reti di sensori 
 
Lo sviluppo di questa tecnologia Ł avvenuto verso la fine del XXI secolo, nei 
laboratori della NASA, in cui si era ipotizzata la creazione di una  smart dust , 
cioŁ una polvere intelligente, costituita da minuscoli elementi che una volta 
dispersi casualmente nell’ambiente, fossero in grado di creare automaticamente 
una rete di comunicazione per raccogliere i dati riguardanti il luogo da monitorare 
[3]. 
Figura 1.2: miniaturizzazione dei sensori nell’ultimo decennio 
 
Tuttavia, le prime reti di sensori erano nate come reti cablate presentando dei 
chiari svantaggi, brillantemente risolti dall’utilizzo della tecnologia wireless, che 
ha permesso l utilizzo delle reti di sensori per le applicazioni che richiedevano: 
 
• tolleranza ai guasti 
 
• scarsa manutenzione 
 
• ampie aree di copertura 
 
• flessibilit  
 
• facilit  di istallazione 
 
• scalabilit  
Alessandro Messina                                                     Capitolo1 - Le reti di sensori 
 
 
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1.3 Campi di applicazione per reti di sensori 
 
Le potenziali applicazioni di una WSN sono veramente notevoli, infatti, si 
possono rilevare grandezze come temperatura, umidit , pressione, luce, velocit , 
posizione e molte altre grandezze fisiche [4]. 
 
Le applicazioni possono essere di differente tipologia: 
 

 militare 
 

 ambientale 
 

 medico-sanitaria 
 

 domestico 
 

 commerciali 
 
 
 
Figura 1.3: campi di applicazione per WSN 
 
Alessandro Messina                                                     Capitolo1 - Le reti di sensori 
 
 
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1.3.1 Applicazioni militari 
 
La facilit  e rapidit  di distribuzione, l’auto-org anizzazione e la tolleranza ai 
guasti fanno di una rete di sensori uno strumento promettente per le applicazioni 
militari. 
La possibilit  di disporre di aree densamente distr ibuite di nodi sensori, fa si che 
la distruzione di alcuni nodi da parte del nemico non danneggi la rete militare 
creata. Le applicazioni possibili vanno dal monitoraggio di forze alleate, 
dell equipaggiamenti e munizioni, alla sorveglianza del campo di aree strategiche. 
Sempre nel campo militare, Ł possibile usare una rete di sensori per effettuare il 
riconoscimento di nemici, la stima dei danni di una battaglia oppure il 
riconoscimento del tipo di attacco subito(nucleare, biologico o chimico). 
 
1.3.2 Applicazioni ambientali  
 
In questo ambito, le reti di sensori potrebbero essere usate per alcune applicazioni 
che riguardano, ad esempio, il monitoraggio degli spostamenti o migrazioni di 
differenti animali. 
¨ possibile anche effettuare il monitoraggio di una  foresta e rilevare prontamente 
eventuali incendi o problemi di natura geologica.  
Le reti di sensori possono essere utilizzate anche nell’agricoltura di precisione, 
infatti, tra gli obiettivi che Ł possibile raggiungere, c’Ł quello di monitorare il 
livello dei pesticidi nell’acqua, il livello di erosione del terreno e il grado di 
inquinamento dell’aria. Il tutto effettuato in tempo reale.  
Sempre nel settore ambientale, le reti di sensori possono essere di interesse per 
studiare gli spostamenti ed il dinamismo all’interno dei ghiacciai. A tal proposito i 
sensori vengono distribuiti all’interno del ghiaccio a profondit  differenti. I sensori 
sono capaci di rilevare temperatura e pressione comunicando con una stazione 
base posizionata in cima al ghiacciaio che provveder  al trasferimento di questi a 
ai centri di raccolta dati. 
 
 
Alessandro Messina                                                     Capitolo1 - Le reti di sensori 
 
 
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1.3.3 Applicazioni medico-sanitarie 
 
Gli utilizzi delle reti di sensori in questo campo sono rivolte: a fornire 
un’interfaccia per le persone affette da handicap, al monitoraggio di dati fisiologici 
umani, all’amministrazione ospedaliera relativa ai pazienti che al personale 
sanitario. Inoltre Ł anche possibile usare i sensori per l’identificazione di allergie. 
 
1.3.4 Applicazioni domestiche 
 
Un esempio di utilizzo di una rete di sensori in ambito domestico Ł l’automazione 
della casa che consiste nell’inserire sensori nel forno, aspirapolvere, refrigeratore, 
videoregistratore e negli altri elettrodomestici. Questi nodi, una volta messi in 
funzione, possono interagire l’uno con l’altro e anche con reti esterne tramite 
l’utilizzo di internet o della rete satellitare permettendo la gestione anche da 
distanze remote. 
L’ambiente domestico assume cos  le stesse caratteristiche di una rete eterogenea 
in grado di mettere in comunicazione tra loro tutti i vari elettrodomestici di cui 
l’ambiente casalingo Ł composto. 
 
1.3.5  Applicazioni commerciali 
 
In quest ambito, i sensori potrebbero essere usati per controlli in differenti 
applicazioni. 
I nodi sensore possono essere disposti per garantire la sicurezza e identificare le 
minacce che avvengono in una determinata area posto sotto osservazione. Tutte le 
informazioni rilevate sono inviate, tramite internet, agli utenti finali per essere 
analizzate e per prendere i giusti provvedimenti. 
Inoltre, Ł possibile monitorare la posizione di un’auto in movimento ed i livelli di 
traffico su strade particolarmente transitate.  
Infine, attraverso una rete di sensori negli uffici Ł possibile controllare le 
condizioni di temperatura e la distribuzione dell’aria calda o fredda nelle varie 
zone. 
Alessandro Messina                                                     Capitolo1 - Le reti di sensori 
 
 
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1.4 Architettura di una rete di sensori  
 
Un sistema WSN Ł costituito dal canale di comunicazione tra la WSN e un 
database di raccolta dati, quale pu  essere un serv er internet, e dall’interfaccia tra 
il database e l’utente finale, che va a osservare i valori rilevati dalla WSN. 
 
 
 
 
Figura 1.4: architettura di un sistema WSN 
 
La WSN, quindi, presenta anche come aspetto fondamentale, la possibilit  
dell’interazione con l’utente finale, che pu  cos  controllare la propria rete di 
sensori e prendere delle decisioni in base ai valori misurati. Infatti, le reti di 
sensori sono modellate come dei database distribuiti, poichØ il recupero delle 
informazioni avviene attraverso un linguaggio simile a SQL, tuttavia, il modello 
di questo sistema deve essere caratterizzato da nodi che collaborano tra loro e 
presentano capacit  attive programmabili. 
I nodi si coordineranno tra loro per eseguire i compiti pre-assegnati, in altre 
parole, avremo un sistema attivo e autonomo.