Reti di sensori wireless: sfide e soluzioni

• 
• Tweet
• Pin It
• Condividi per email

Il mondo in cui si vive è pieno di sensori. Gli edifici in cui si lavora sono dotati di sensori che monitorano la temperatura, rilevano la presenza di persone, fumo e fuoco e controllano la sicurezza. Le auto contengono dozzine, se non centinaia, di sensori che controllano le prestazioni del motore, i freni, i dispositivi di sicurezza per i passeggeri, solo per citarne alcuni. I siti produttivi hanno bisogno di sensori perché non è possibile tenere sotto controllo ciò che non si può misurare. Per realizzare prodotti rispettando le regole che riguardano la sicurezza, la qualità e l’efficienza servono molti sensori.

Negli ultimi decenni i sensori sono diventati molto più piccoli, costano e consumano meno, in parte anche grazie alla legge di Moore e alla rivoluzione dei MEMS. Le spese di installazione invece non hanno seguito la stessa strada. Il costo per la posa dei cavi necessari per l’alimentazione e la trasmissione dei dati fa sembrare contenuto il costo del sensore stesso. Si prenda, ad esempio, l’interruttore della luce più vicino: il cablaggio di un interruttore da 1 dollaro può costare 50 dollari che coprono per la maggior parte la manodopera, anche per quelli di tipo nuovo. Il trasferimento di questo interruttore sulla parete accanto costa ancora di più.

Nel settore dell’automazione dei processi industriali servono normalmente 10.000 dollari per installare un sensore, anche se si tratta di un semplice interruttore. Con costi di questa entità molti sensori trasmettono i dati solo a un controller locale; si possono ottenere poche “grandi immagini” o perfino nessuna installando centinaia o migliaia di sensori. Ciò che serve è un modo affidabile e poco costoso per collegare i sensori tra loro.
È praticamente dai tempi di Marconi che si utilizzano metodi wireless per trasmettere dati da sensori, con risultati misti. Si tratta di collegamenti alimentati dalla rete e punto-punto che spesso offrono un’affidabilità variabile a causa delle condizioni ambientali, il che va benissimo per alcune applicazioni, ma è troppo limitativo per la maggior parte di esse.

I mercati
Tra i settori che utilizzano reti di sensori wireless (WSN) figurano l’automazione degli edifici, il controllo industriale, la domotica, le ‘smart grid’, la AMI (Automated Metering Infrastructure), l’automazione dei processi industriali, il controllo ambientale, le infrastrutture di parcheggio e transito, il monitoraggio dell’energia e il controllo delle scorte.
Nella maggior parte dei casi si tratta di applicazioni di raccolta dati asimmetriche bidirezionali; numerosi punti di rilevamento trasmettono i dati a un host centrale che può rispondere con un setpoint di processo o altre variazioni di configurazione.

Le scelte tecnologiche
Ciò che i clienti desiderano è una tecnologia che costi poco, consenta di installare un numero illimitato di sensori, riceva dati periodici in modo affidabile con una bassa latenza e duri per tutto il ciclo di vita del dispositivo, senza sostituzione delle batterie. Alcuni progressi tecnologici recenti ci hanno consentito di offrire tali caratteristiche a molti settori.
Esistono diverse tecnologie che potrebbero ricoprire questo ruolo: es. satellitare, cellulare, Wi-Fi e numerose soluzioni basate sulle radio IEEE 802.15.4. Tali tecnologie consentono agli utenti di formare WSN per la raccolta di dati provenienti dai sensori.

Le tecnologie satellitare e cellulare sono adatte per molte applicazioni, però hanno il costo energetico più alto per pacchetto. Anche le spese per il piano dati possono essere proibitive, ma è probabile che la situazione cambi se i gestori svilupperanno modelli di fatturazione adeguati per flussi di dati relativamente contenuti. Anche la copertura può essere un problema. Il segnale di un telefono satellitare o cellulare può far fatica ad attraversare una struttura ostruita e in genere i sensori non sono in grado di spostarsi da un punto all’altro e chiedere “mi senti adesso?”. Per un’applicazione con velocità di trasmissione dati molto basse (es. un pacchetto di dati al giorno) e una buona connettività, il satellitare o il cellulare sono ancora la soluzione più adatta.
Ormai i sensori Wi-Fi (IEEE 802.11b, g) sono disponibili praticamente ovunque. Il costo energetico di un pacchetto Wi-Fi è decisamente inferiore a quello di un cellulare, inoltre non esistono tariffe ricorrenti per i dati. La connettività e la copertura rimangono problemi importanti perchè la densità dei punti di accesso necessari per una comunicazione affidabile con un sensore fisso è normalmente superiore a quella necessaria per le persone in movimento con dispositivi.

Con riferimento al modello OSI, lo standard 802.15.4 definisce un livello fisico (PHY) e un livello MAC (Medium Access Control) per operazioni a breve raggio e basso consumo, il che è perfetto per le reti di sensori wireless. La radio ha una velocità di trasmissione dati relativamente bassa (fino a 250 kbps); i pacchetti sono corti (< 128 byte) e a bassa energia. Ad esempio, l’invio di pochi byte di dati, con routing, crittografia e altri header, richiede meno di 1ms e consuma meno di 30µJ di energia (Fig. 1), inclusa la ricezione di una conferma sicura del livello di collegamento. I sensori possono trasmettere radio packet da peer, estendendo la portata della rete ben oltre quella di una singola radio e fornendo alla rete l’immunità da qualsiasi problema di collegamento.

Fig. 1 – Energia per trasmettere un breve pacchetto 802.15.4 e ricevere una conferma

Misurazione delle prestazioni
La valutazione delle diverse soluzioni di WSN si basa su due domane: “Riuscirò ad avere tutti i miei dati in modo abbastanza veloce?” e “Quanto costerà?”. Le WSN devono essere progettate per operare in ambienti con PDR (Packet Delivery Ratio) del livello di collegamento del 50% circa.
Lo sviluppo di un sistema di acquisizione dati wireless comporta il raggiungimento di alcuni obiettivi prestazionali. In primo luogo il sistema deve realizzare un obiettivo di affidabilità minima. Nel caso delle applicazioni industriali, l’obiettivo consiste tipicamente nel ricevere almeno il 99,9% dei dati generati perché i dati mancanti possono innescare costosi stati di allarme. Secondo, il sistema deve supportare una determinata velocità di trasmissione, cioè un certo numero di pacchetti di dati al secondo. Terzo, questi pacchetti servono solo se ricevuti entro un periodo di latenza massimo. Molti processi si basano su aggiornamenti di dati nuovi; nel caso del controllo, se i dati sono obsoleti, non servono a nulla. Quarto, molti sistemi devono operare in ambienti difficili che comportano ampi range di temperatura e limitazioni alla sicurezza intrinseca. Solo le soluzioni che soddisfano questi quattro requisiti sono considerate adatte per una successiva valutazione.

I criteri principali di cui tenere conto quando si esaminano soluzioni che soddisfano i requisiti sopra citati sono il costo di possesso e la flessibilità. Il costo di possesso comprende diversi aspetti: sviluppo del prodotto, installazione, hardware e fornitura di energia per tutta la durata dell’installazione. Le tecnologie wireless hanno comportato una netta riduzione dei costi di installazione rispetto alle soluzioni cablate, ma i dispositivi wireless a batteria possono richiedere la sostituzione delle batterie nel corso del ciclo di vita della rete. Esiste inoltre un trade-off tra la costruzione di una rete con un numero limitato di dispositivi ad alta potenza per ridurre il costo dell’hardware e l
’uso di un numero elevato di dispositivi a basso consumo. Nel caso dei dispositivi alimentati da celle a recupero energetico (es. solari, termoelettriche), le dimensioni del condensatore possono determinare una parte considerevole del costo. Le soluzioni con una pianificazione deterministica, come il TDMA (Time-Division Multiple Access), possono contribuire a separare il più possibile eventi ad alta corrente in modo da ridurre i requisiti relativi alle dimensioni del condensatore.

Essendo le condizioni di utilizzo finale imprevedibili, occorre progettare reti che siano flessibili. Le reti devono poter avere grandi o piccole quantità di sensori e una densità bassa o alta. Per garantire che resistano nei vari ambienti wireless, l’approvvigionamento delle risorse deve fare in modo che i dispositivi possano comunicare in modo affidabile con modeste interferenze e che le reti sopravvivano alla perdita di singoli dispositivi. Altre risorse, tra cui più collegamenti wireless, più nodi vicini per ciascun dispositivo o una maggiore amplificazione del segnale, migliorano l’affidabilità e la latenza. Tutte queste aggiunte comportano costi energetici maggiori che possono essere ridotti al minimo con l’allocazione dinamica.
Le soluzioni basate su standard garantiscono l’immunità da improvvise variazioni della supply chain di un componente di un fornitore e l’assicurazione che la comunità ha accettato i principi base del funzionamento (es. architettura di sicurezza).

Le sfide
Il canale wireless non è affidabile in natura e numerosi fenomeni possono impedire a un pacchetto trasmesso di raggiungere il ricevitore. Uno di questi fenomeni è l’interferenza. Due trasmettitori indipendenti che, trasmettendo sullo stesso canale, provocano la sovrapposizione dei rispettivi segnali, possono rovinarli nella radio del ricevitore. Il trasmettitore deve così ripetere la trasmissione, con ulteriore spreco di tempo ed energia.
L’interferenza può provenire dalla stessa rete se la tecnologia di accesso al mezzo sottostante non pianifica una comunicazione ‘contention-free’. La situazione diventa molto problematica se i due trasmettitori possono sentire il ricevitore senza sentirsi tra loro (detto anche “problema del terminale nascosto”), per cui occorrono meccanismi di backoff e conferma per risolvere eventuali collisioni.

L’interferenza può provenire anche da un’altra rete che opera nello stesso spazio radio oppure da una tecnologia radio diversa che usa la stessa banda di frequenza. Quest’ultimo tipo, denominata anche interferenza “esterna”, è presente soprattutto nelle bande senza licenza, tra cui la ISM (Instrumentation, Scientific and Medical) a 2.400-2.485GHz, che sono piene di Wi-Fi, Bluetooth e 802.15.4.
Nella figura 2, i 45 nodi 802.15.4 installati in un ambiente di lavoro scambiano 12 milioni di pacchetti, equamente distribuiti su 16 canali 802.15.4. Viene rilevato il PDR medio di tali pacchetti come una funzione del canale sul quale avviene la trasmissione; il rapporto è inferiore sui canali che si sovrappongono a canali Wi-Fi.

Fig. 2 – Interferenza tra Wi-Fi e 802.15.4 nella banda di frequenza 2.400-2.485 GHz

Un altro fenomeno, detto multipath fading (Fig. 3), può impedire a un pacchetto trasmesso di arrivare al ricevitore ed è più deleterio e difficile da quantificare. Questo fenomeno, spesso definito “auto-interferenza”, si verifica quando il destinatario riceve sia il segnale che viaggia sulla linea di vista (LOS) dal trasmettitore, sia gli “echi” dello stesso segnale emessi da oggetti presenti nell’ambiente (pavimenti, soffitti, porte, persone, e così via). Queste copie viaggiano su distanze diverse, quindi arrivano al ricevente in tempi diversi e potenzialmente possono provocare interferenze deleterie. Attenuazioni di 20-30dB non sono inconsuete.
Nella figura 3, un trasmettitore invia 1000 pacchetti a un ricevitore a 5 m di distanza e poi con il ricevitore posizionato su ogni punto di una griglia di 35 x 20 cm. L’asse z rappresenta il PDR su quel collegamento. Il collegamento è buono nella maggior parte delle posizioni, ma in alcune la ricezione dei pacchetti non riesce a causa del multipath fading.

Fig. 3 – Il multipath fading può influire molto sulla qualità di un collegamento, anche spostando il ricevitore di un paio di centimetri

Il multipath fading dipende dalla posizione e dalla natura di ogni oggetto presente nell’ambiente ed è imprevedibile in qualsiasi organizzazione pratica. La cosa positiva è che la “topografia” illustrata nella figura 3 varia con la frequenza, il che significa che, se un pacchetto non viene ricevuto a causa del multipath fading, la ritrasmissione su una frequenza diversa ha molte probabilità di riuscire. Gli oggetti nell’ambiente non sono statici (ad es. le auto si muovono e gli sportelli si aprono e si chiudono), per cui l’effetto del multipath varia col tempo. Nella figura 4 è illustrato il PDR su un singolo percorso wireless tra due sensori industriali nell’arco di 26 giorni e per ognuno dei 16 canali usati dal sistema.

Fig. 4 – Il PDR (Packet Delivery Ratio) di un collegamento wireless si evolve col tempo

Vi sono cicli settimanali in cui i giorni lavorativi e i fine settimana sono chiaramente visibili. In certi momenti alcuni canali sono buoni (alta consegna), in altri scadenti e in altri ancora molto variabili. Il canale 17, in genere buono, ha almeno un periodo di consegna zero. Ogni percorso della rete mostra un comportamento qualitativamente uguale, ma prestazioni di canale diverse, inoltre non c’è mai un canale che sia buono ovunque all’interno della rete.⁽¹⁾ Il segreto per costruire un sistema wireless affidabile, tenendo conto delle interferenze e del multipath fading, è sfruttare la diversità dei canali e dei percorsi.

Le soluzioni
Come indicato in precedenza, una tecnologia adatta per il risolvere il problema delle WSN è la IEEE 802.15.4; radio che offrono livelli PHY a basso consumo e bassa velocità di trasmissione su molte bande di frequenza senza licenza, inclusa la 915MHz, disponibile in Nord America, e la ISM 2.4GHz, disponibile in tutto il mondo. I livelli PHY ad ampio spettro della banda 2.4GHz garantiscono l’immunità dal rumore, una caratteristica molto importante per un dispositivo a basso consumo progettato per operare su una banda senza licenza potenzialmente congestionata. Lo standard definisce anche un livello MAC packet-based (o frame-based) affidabile, acknowledged, con crittografia e autenticazione opzionali.

Questa soluzione flessibile costituisce la base di molti protocolli proprietari e basati su standard, incluso ZigBee, che se ne serve per formare reti a canale singolo non sincronizzate, e WirelessHART⁽²⁾ che la usa per formare reti multicanale sincronizzate.
Il protocollo WirelessHART, sviluppato in collaborazione con Dust Networks di Linear, ha un PHY 802.15.4 da 2,4GHz e un livello di collegamento basato su 802.15.4 che aggiunge sincronizzazione, channel hopping, priorità e autenticazione time-based per il MAC 802.15.4 standard. Ha un livello rete che offre funzioni di routing e sicurezza end-to-end e un sottile livello trasporto mesh inaffidabile/affidabile. Lo standard WirelessHART specifica la regolazione del time slot, il modo in cui i dispositivi manten
gono la sincronizzazione e programmano le possibilità di comunicazione tempo/canale dividendo il tempo in possibilità di comunicazione intervallate (time slot) su superframe ripetitivi. Il protocollo è stato creato per consentire la perfetta integrazione tra dispositivi wireless e installazioni HART cablate esistenti, molto diffuse per il monitoraggio dei processi industriali e le applicazioni di controllo.

WirelessHART amplia la serie di comandi del livello applicazione HART, aggiungendo comandi per la gestione delle risorse wireless e il controllo dello stato della rete. Le reti WirelessHART sono molto affidabili, anche con dispositivi che non hanno una linea di vista e si trovano a decine, se non centinaia, di metri di distanza, ogni dispositivo ha più vicini ai quali inviare i dati, il che garantisce la diversità di percorso necessaria per avere la massima affidabilità. Le reti WirelessHART hanno una gestione centralizzata per cui la maggior parte della loro “intelligenza” risiede in un manager. I dispositivi sul campo (sensori wireless) forniscono informazioni sullo stato che il manager utilizza per predisporre e ottimizzare la rete, i dati del sensore vengono inviati a un application proxy denominato gateway.

All’inizio di quest’anno è stata rilasciata una nuova versione 802.15.4e dello standard che, tra le altre cose, dà forma a funzionalità di channel-hopping time-slotted come quelle che si trovano nel protocollo WirelessHART al livello MAC 802.15.4. Lo standard definisce i meccanismi per fornire informazioni sulla sincronizzazione e consentire ai dispositivi di sincronizzarsi con una rete, offre sicurezza time-based e definisce le comunicazioni intervallate e le sequenze di salti. Utilizza molto l’incapsulamento dei dati in “elementi informativi”, il che consente estensioni personalizzate del MAC senza dover attendere aggiornamenti dello standard. Lo standard, il cui obiettivo è facilitare lo sviluppo di un protocollo multilivello, è stato appositamente creato per abbinarsi a un livello rete IPv6 con compressione 6LoWPAN, come indicato nelle specifiche IETF RFC 4944 e 6282.⁽³⁾

Le applicazioni
La linea di prodotti SmartMesh di Dust Networks di Linear comprende sia dispositivi WirelessHART che dispositivi IPv6 ‘6LoWPAN-compliant’ che utilizzano lo standard 802.15.4 per offrire le soluzioni WSN più affidabili e a più basso consumo del mercato. I mote Dust Eterna (famiglia LTC5800) sono dispositivi a chip singolo che associano un microprocessore Cortex-M3, memoria e periferiche alla radio 802.15.4 con i livelli di consumo più bassi disponibili (Fig. 5). I progettisti integrano un mote nel pacchetto di sensori e sono sicuri che la rete è in grado di formare, ottimizzare e trasferire i dati dei sensori all’applicazione. I dispositivi di gestione Dust consentono di scalare da decine a migliaia di dispositivi, fornendo interfacce dati e di configurazione per la rete. Le due famiglie di prodotti costituiscono reti mesh multi-hop ad alta affidabilità, in grado di offrire velocità di trasmissione dati configurabili per ciascun nodo. Sono adatti per risolvere una vasta gamma di problemi associati alle WSN. Di seguito alcuni esempi di applicazioni che utilizzano i mote e i manager Dust:

Fig. 5 – Diagramma a blocchi dei mote Dust Eterna LTC5800

Parcheggi – Streetline⁽⁴⁾ è un’azienda che fornisce in tempo reale informazioni sulla disponibilità di posti liberi per parcheggiare. I sensori sono installati sotto gli spazi adibiti al parcheggio, all’interno della pavimentazione e a livello della sede stradale. Questo comporta alcuni problemi perché l’antenna del sensore è posizionata sotto terra e viene coperta da un veicolo metallico quando lo spazio viene occupato. La diversità del percorso wireless è essenziale perchè le varie posizioni dei veicoli cambiano la qualità del percorso tra coppie di dispositivi. Streetline installa ripetitori sui lampioni adiacenti per ottenere la linea di vista rispetto ai sensori di arresto. I ripetitori formano una rete multi-hop che raccoglie i dati di presenza per il manager di rete locale che vengono riuniti in un database disponibile per i clienti e gli enti di controllo. La tecnologia wireless è fondamentale in questa applicazione perchè è difficile collegare i sensori per ogni spazio e il wireless a basso consumo riduce la frequenza di sostituzione delle batterie.

Controllo del processo di raffinazione – Chevron usa reti wireless per monitorare l’estrazione di petrolio e gli impianti di raffinazione. Spesso queste reti operano in ambienti difficili (temperature pericolose, sostanze chimiche e rischio di esplosione) dove è impossibile creare condotti per sensori cablati. La tecnologia wireless inoltre consente di controllare le strutture rotanti e gli operatori mobili. In un caso (Fig. 6) le reti wireless sono state installate in diversi punti di un grande impianto di raffinazione. Per raccogliere i dati in un centro di controllo è stata usata una rete mesh wireless Cisco IEEE 802.11a come connessione di backhaul per ogni manager di rete IEEE 802.15.4. In questo modo i sensori a basso consumo potevano comunicare al manager locale dove i dati erano raccolti e trasmessi in modo affidabile. Questo è l’esempio di una perfetta fusione tra i due standard.

Fig. 6 – Architettura di rete per il controllo del processo di raffinazione

Monitoraggio dell’energia – Vigilent⁽⁵⁾ fornisce sistemi intelligenti per la gestione energetica in ambienti come i centri di elaborazione dati in cui il controllo ambientale è un aspetto di fondamentale importanza. Un aumento di temperatura in un punto qualsiasi del centro di elaborazione può causare guasti alle apparecchiature, per questo l’impianto di condizionamento dell’aria funziona sempre a pieno ritmo, con conseguente spreco di energia. I responsabili degli impianti sono contrari a pregiudicare il funzionamento delle loro reti interne, quindi Vigilent utilizza dispositivi wireless che non interferiscono con il normale funzionamento. La sicurezza è un altro aspetto importante, quindi occorre un protocollo wireless che offra la crittografia end-to-end di tutti i pacchetti e la massima sicurezza al manager di rete. I punti di rilevamento dei centri di elaborazione dati sono fitti e Vigilent utilizza con successo reti multiple sovrapposte per ottenere il numero richiesto di sensori.

Linear Technology

Bibliografia
(1) L. Doherty, W. Lindsay, J. Simon, K. Pister, “Channel-Specific Wireless Sensor Network Path Analysis,” Proc. ICCCN ‘07, Honolulu, HI, 2007
(2) http://www.hartcomm.org/hcf/documents/documents_spec_list.html
(3) https://datatracker.ietf.org/doc/
(4) http://www.streetline.com/
(5) http://ww
w.vigilent.com/

Lance Doherty, Systems engineer - Jonathan Simon, Systems engineering director - Thomas Watteyne,

• 
• Tweet
• Pin It
• Condividi per email