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[[File:WSN.svg|thumb|upright=1.8|Un tipico esempio di ''reti di sensori'']]
I recenti progressi tecnologici nei sistemi micro elettro meccanici (MEMS, micro electro mechanical system), nelle comunicazioni [[wireless]] e nell'elettronica digitale hanno permesso lo sviluppo di [[sensori]] (detti anche '''sensor node'''), consistenti in piccoli apparecchi a bassa [[potenza]] dai costi contenuti, multifunzionali e capaci di comunicare tra loro tramite tecnologia wireless a [[raggio]] limitato. Questi piccoli sensori sono formati da componenti in grado di rilevare grandezze fisiche (sensori di [[posizione]], [[temperatura]], [[umidità]] etc...), di elaborare dati e di comunicare tra loro.▼
Con il termine '''wireless sensor network''' (o WSN) si indica una determinata tipologia di [[rete informatica]] che, caratterizzata da un'[[architettura di rete|architettura]] distribuita, è realizzata da un insieme di [[dispositivo elettronico|dispositivi elettronici]] autonomi in grado di prelevare dati dall'ambiente circostante e di comunicare tra loro.
== Descrizione ==
Una rete di sensori (detta anche '''sensor network''') è un insieme di sensori disposti in prossimità oppure all'interno del fenomeno da osservare. Questi piccoli dispositivi sono prodotti e distribuiti in massa, ed hanno un costo di produzione trascurabile. Ognuno dei sensori ha una riserva d'[[energia]] limitata e non rinnovabile e, una volta messo in opera, deve lavorare autonomamente. Per ottenere la maggior quantità possibile di dati occorre effettuare una massiccia distribuzione di sensori (migliaia o decine di migliaia). Una delle più comuni applicazioni in cui è possibile far uso di una rete di sensori consiste nel monitoraggio di ambienti fisici come il [[traffico]] in una grande città oppure dati rilevati da un'area disastrata da un [[terremoto]].▼
▲I recenti progressi tecnologici nei sistemi
▲Una rete di sensori (
I nodi sensore all'interno di una rete hanno la possibilità di collaborare tra loro. I nodi sono infatti provvisti di un [[processore]] on-board; quindi, ciascun nodo, invece di inviare dati ''grezzi'' ai nodi responsabili della raccolta dei dati, può effettuare delle semplici elaborazioni e trasmettere solo i dati richiesti e già elaborati.▼
▲I nodi sensore all'interno di una rete hanno la possibilità di collaborare tra loro
Le reti di sensori possono essere utilizzate in molte applicazioni; la realizzazione di queste applicazioni richiede l'uso di tecniche utilizzate nelle reti wireless ad hoc. Comunque, molti degli algoritmi usati nelle reti ad hoc non sono compatibili con i requisiti di questo tipo di reti.▼
La comunicazione, realizzata tramite tecnologia wireless a corto raggio, è solitamente di tipo asimmetrico in quanto i nodi comuni inviano le informazioni raccolte ad uno o più nodi speciali della rete, detti nodi ''sink'', i quali hanno lo scopo di raccogliere i dati e trasmetterli tipicamente ad un server o ad un calcolatore. Una comunicazione può avvenire autonomamente da parte del nodo quando si verifica un dato evento, o può venire indotta dal nodo sink tramite l'invio di una ''query'' verso i nodi interessati.
I principali motivi sono:▼
* Il numero di nodi che compongono una rete di sensori può essere di alcuni ordini di grandezza più grande del numero di nodi in una rete ad hoc;▼
▲Le reti di sensori possono essere utilizzate in
* I nodi sensore sono disposti con un'alta densità;▼
* I nodi sensore sono soggetti a guasti;▼
* La topologia di una rete di sensori cambia frequentemente;▼
▲* Il numero di nodi che compongono una rete di sensori può essere di alcuni ordini di grandezza
* I nodi sensore usano un paradigma di comunicazione broadcast mentre la maggior parte delle reti ad hoc sono basate su una comunicazione di tipo point-to-point;▼
* I nodi sensore sono limitati per quanto riguarda l'alimentazione, le capacità di calcolo e la memoria;▼
* I nodi sensore possono non avere un identificatore globale (ID).▼
▲* La topologia di una rete di sensori
▲* I nodi
▲* I nodi
▲* I nodi
* I nodi necessitano di una stretta integrazione con le attività di rilevamento.
Per questo motivo, questa tipologia di rete necessita di algoritmi pensati e realizzati in maniera specifica per gestire la comunicazione e l'instradamento dei dati.
Le reti di sensori possono migliorare in modo significativo la qualità delle informazioni: ad esempio possono garantire una elevata fedeltà, possono fornire informazioni in tempo reale anche da ambienti ostili e possono ridurre i costi di trasmissione delle stesse informazioni.
Quindi, assumiamo che le reti di sensori possono essere utilizzate su un'ampia schiera di applicazioni che vanno da quella militare a quella scientifica, industriale, medica e domestica. Lo scopo fondamentale di una rete di sensori è di produrre su un periodo esteso di tempo, una informazione globale significativa ottenuta da una serie di dati locali provenienti dai singoli sensori.
Il fatto che un singolo sensore sia dotato di una piccola quantità di energia non deve impedirgli di inviare le informazioni elaborate, che verranno raccolte e unite alle informazioni provenienti dagli altri sensori. Un'importante via da seguire consiste nel rilevare il maggior quantitativo possibile di dati locali, evitando la trasmissione dei dati inefficienti attraverso la rete. Ci sono diverse possibili tecniche che possono essere usate per connettere la rete con l'esterno, in particolare per trasmettere le informazioni che essa raccoglie. Nelle nostre reti sensoriali assumiamo che ci siano entità speciali chiamate nodi '''sink''', che agisce come nodi [[Gateway (informatica)|gateway]], a lungo raggio d'azione e distribuiti accanto ai sensori.
Un utente specifica al nodo sink di quali informazioni ha bisogno. Il sink genera una interrogazione che viene poi immessa nella rete. Una o più risposte sono rinviate indietro al sink il quale riunisce ed elabora queste risposte prima di fornire il risultato finale all'utente. Le reti di sensori sono modellate come dei [[database distribuiti]]. Il recupero di informazioni è effettuato tramite un linguaggio simile
Questo cosa è però impraticabile per diversi motivi:
* Gli ack che il sink è costretto a mandare ai vari nodi sensore rappresenterebbero un [[collo di bottiglia (ingegneria)|collo di bottiglia]] nel caso in cui il numero di nodi sensore fosse destinato ad aumentare;▼
▲* Gli ack che il sink è costretto a mandare ai vari nodi sensore rappresenterebbero un [[collo di bottiglia]] nel caso in cui il numero di nodi sensore fosse destinato ad aumentare;
* I nodi sensore usano, per interagire tra loro, una comunicazione wireless. Alcuni nodi posizionati lontano dal sink potrebbero non essere in grado di comunicare direttamente con questo a causa della limitata potenza di trasmissione a disposizione.
Quindi, non dobbiamo modellare una rete di sensori come un database distribuito dove tutti i nodi sono passivi, ma come un insieme distribuito di nodi che collaborano tra loro e dove ciascuno ha capacità attive programmabili. Questo permette a tutti i nodi di coordinarsi l'uno con l'altro per eseguire un task assegnato. In questo modo i nodi sensore diventano attivi e autonomi.
I nodi sensore sono sparpagliati in un'area chiamata '''area di sensing'''. Ciascun nodo, all'interno di questa area, ha la capacità di accumulare e di instradare i dati fino al nodo sink
Ciò significa che gli algoritmi e i protocolli utilizzati nelle reti di sensori devono possedere capacità auto organizzative. I sensori, conoscendo le caratteristiche di trasmissione del sink, e sfruttando il suo segnale di illuminazione (che possono, o meno, sentire), possono effettuare un autoapprendimento di posizione, permettendo quindi la distribuzione random di questi nella rete. L'autoapprendimento di posizione dei sensori è quindi una delle caratteristiche più importanti di questi e, vista la scarsa quantità di energia di cui è dotato un sensore, si deve cercare di ottimizzare al meglio gli algoritmi che permettono ad un sensore di conoscere la propria posizione, abbassando il suo tempo di apprendimento, ovvero cercare di minimizzare il tempo in cui un sensore deve stare sveglio ed il numero di volte in cui esso si deve svegliare.
== Campi di applicazione
Una rete di sensori può essere vista come un insieme di sensori di diverso tipo capaci di rilevare grandezze come [[temperatura]], [[umidità]], [[pressione]], [[luce]], ma anche capaci di rilevare il movimento di veicoli, la composizione del terreno, livello di rumore e molte altre cose.
=== Applicazioni militari ===
La facilità e rapidità di distribuzione, l'auto-organizzazione e la [[tolleranza ai guasti]] fanno di una rete di sensori una tecnica promettente per applicazioni militari.
Poiché una rete di sensori è basata su una disposizione densa di nodi monouso ed a basso costo, la distruzione di alcuni nodi da parte del nemico non danneggia le operazioni militari come potrebbe accadere con la distruzione dei sensori tradizionali. Le possibili applicazioni vanno dal monitoraggio di forze alleate, equipaggiamenti e munizioni alla sorveglianza del campo di battaglia. Sempre nel campo militare, è 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 (nucleare, biologico o chimico).
=== Applicazioni ambientali ===
In questo ambito, le reti di sensori potrebbero essere usate per alcune applicazioni che riguardano, ad esempio, il monitoraggio del movimento di uccelli, piccoli animali, insetti.
Le reti di sensori possono essere utilizzate anche nell'[[agricoltura]] di precisione. Tra gli obiettivi che è possibile raggiungere c'è 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 [[Sistema real-time|tempo reale]]. Altra applicazione è quella del monitoraggio dell'[[habitat]] di animali, e lo studio del loro comportamento.
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 profondità differenti. I sensori sono capaci di rilevare temperatura e pressione comunicando con una stazione base
=== 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 (riguardanti l'uomo), all'amministrazione ospedaliera sia essa relativa ai pazienti che ai medici (per una facile rintracciabilità). Inoltre
=== Applicazioni domestiche ===
Un esempio di utilizzo di una rete di sensori in ambito domestico è l'automazione della [[casa]] che consiste nell'inserire sensori nel [[forno]], [[aspirapolvere]], [[refrigeratore]], [[videoregistratore]] etc... Questi nodi, inseriti negli elettrodomestici, possono interagire l'uno con l'altro e anche con reti esterne tramite l'utilizzo di internet o del [[satellite artificiale|satellite]] permettendo la gestione anche da distanze remote.
L'ambiente domestico viene ad assumere così le stesse caratteristiche di un piccolo centro fornito di una rete in grado di mettere in comunicazione tra loro tutti i vari strumenti di cui l'ambiente è composto.
=== Applicazioni commerciali ===
In questo ambito, i sensori potrebbero essere usati per le seguenti applicazioni:
* ''Rilevamento del furto di auto'': nodi sensore sono stati disposti per scoprire e identificare minacce che avvengono in una determinata zona geografica. Tutte le informazioni rilevate sono inviate, tramite [[internet]], agli utenti finali per essere analizzate e per prendere i giusti provvedimenti;
* ''Rilevamento della posizione e del movimento di veicoli (car tracking)'': tramite una rete di sensori è possibile monitorare la posizione di un'[[auto]] in movimento. È inoltre possibile monitorare il traffico su strade particolarmente transitate;
* ''Controllo dell'ambiente in ufficio'': di solito il sistema di gestione del [[Impianto di riscaldamento|riscaldamento]] o dell'aria condizionata è centralizzato e quindi la temperatura in [[ufficio (locale)|ufficio]] può essere diversa a seconda della zona (una parte più calda e una parte più fredda) proprio per il controllo della temperatura e del [[flusso]] dell'aria centralizzato (esiste un solo [[termometro]] e un solo bocchettone da dove esce l'aria). Con una rete di sensori nelle stanze è possibile controllare la temperatura e la distribuzione dell'aria calda nelle varie zone.
=== Applicazioni energetiche ===
= Progettare una rete di sensori =▼
Il monitoraggio del consumo energetico di ogni sistema, con l'impiego della WSN, migliora l'efficienza energetica nelle fabbriche, uffici, residenze/abitazioni.
▲== Progettare una rete di sensori ==
La progettazione di una rete di sensori è influenzata da molti fattori che non solo sono necessari per la progettazione della rete, ma influenzano a loro volta la scelta degli algoritmi utilizzati nella rete stessa. Questi fattori sono:
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La '''densità''' di nodi in una rete di sensori risulta ''application dependent'' e può variare da pochi a centinaia di nodi in una regione di diametro minore di 10m. La densità, cioè il numero di nodi presenti all'interno del raggio di trasmissione di un nodo, può essere calcolata nel seguente modo:
<math>\mu(r) = \frac{(N \pi r^{2})}{
dove <math>N</math> è il numero di nodi sparpagliati in una regione di area <math>A</math> ed <math>r</math> è il raggio di trasmissione di un nodo.
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Il mantenimento e il cambiamento della topologia può essere diviso in tre fasi:
* ''Pre-deployment e deployment phase'': i sensori possono essere sia gettati sia disposti uno ad uno nell'ambiente; infatti possono essere gettati da un [[aereo]], da una [[catapulta]], collocati uno ad uno da un [[robot]] o da una
* ''Post-deployment phase'': i cambiamenti topologici della rete sono dovuti al cambiamento della posizione dei nodi, oppure alla variazione della raggiungibilità di un nodo, dell'energia disponibile, alla presenza di malfunzionamenti etc...
* ''Re-deployment of additional nodes phase'': nodi sensore addizionali possono essere ridisposti in qualsiasi momento per rimpiazzare i nodi malfunzionanti o a causa della dinamica dei task. L'aggiunta di nuovi nodi comporta la necessità di riorganizzare la rete. L'alta frequenza di cambiamenti topologici e il vincolo stringente del [[risparmio energetico]] richiedono protocolli di routing molto particolari.
=== Vincoli hardware ===
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* ''Unità di sensing'': di solito è composta da due sotto unità: [[sensore]] e [[convertitore analogico-digitale]];
* ''Unità computazionale'': di solito è associata ad una piccola unità di immagazzinamento dati e gestisce le procedure che permettono la collaborazione del nodo con gli altri nodi della rete per portare a termine il task assegnato;
* ''Unità transceiver'': è l'unità che connette il nodo alla rete. Può essere un apparecchio ottico oppure un apparecchio a [[radio frequenza]] (RF). È possibile usare anche delle radio con basso [[duty-cycle]] anche se attualmente ci sono problemi nell'usare questi apparecchi in
* ''Unità energetica'': è forse il componente più importante di un nodo sensore; a volte può essere supportata da una unità per il recupero di energia (ad esempio da fonte solare).
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In una rete di sensori multihop i nodi possono interagire tra loro tramite un mezzo di comunicazione wireless. È quindi possibile utilizzare onde radio. Una possibilità è quella di usare bande ISM (industrial, scientific and medical), cioè un gruppo predefinito di bande che in molti paesi sono utilizzabili liberamente. La maggior parte dei sensori attualmente in commercio fanno uso di un circuito RF.
Un altro possibile modo per far comunicare i nodi è tramite gli infrarossi. La comunicazione con gli infrarossi non richiede permessi o licenze e protetta da interferenze. I transceiver basati sugli infrarossi sono economici e facili da costruire. Il problema maggiore che si ha nell'uso degli infrarossi è la necessità di avere
La scelta del [[mezzo trasmissivo]] è imposta dall'applicazione. Ad esempio, le applicazioni marine impongono di usare l'acqua come mezzo trasmissivo. È quindi necessario usare onde che possano penetrare nell'acqua.
=== Consumo energetico ===
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È per queste ragioni che molte ricerche si stanno concentrando sulla creazione di protocolli e algoritmi ''power-aware'', cioè protocolli che ottimizzano il consumo energetico.
Mentre nelle reti mobili e nelle reti ad hoc il consumo di energia è un importante fattore ma non è il principale (che risulta invece il soddisfacimento della [[QoS]], cioè della qualità del servizio), nelle reti
Il consumo di energia in un nodo sensore è essenzialmente dovuto alle tre principali attività svolte dal nodo:
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* ''Communication'': dei tre fattori è quello che necessita della maggior quantità di energia. La comunicazione comprende sia la ricezione che la trasmissione di dati i cui costi energetici possono essere ritenuti uguali.
===Protocolli di comunicazione===
I requisiti menzionati in precedenza impongono dei vincoli molto stringenti sulla tipologia di [[protocollo di rete | protocolli di rete]] da adottare nelle WSN. Le tecnologie wireless a corto raggio costituiscono un requisito imprescindibile, visto il ridotto budget energetico a disposizione di ciascun nodo. Tuttavia, realizzare una rete wireless di comunicazione multi-hop, che sia robusta ai guasti ed in grado di auto-configurarsi anche in ambienti ostili, rappresenta una sfida tecnologica notevole, che ha richiesto (e tuttora richiede) l'impegno di molteplici enti di standardizzazione, quali ad esempio [[IEEE]] ed [[IETF]]. In ambito IEEE, la tecnologia [[IEEE 802.15.4]] rappresenta un punto fermo nello sviluppo dei livelli [[Media Access Control|MAC]] e [[livello fisico|PHY]] di una WSN, poiché in grado di fornire bitrate sino a 250 kbps e di abilitare l'uso di topologie multi-hop, in modo energeticamente efficiente. I livelli superiori dello stack possono essere invece implementati seguendo la specifica [[ZigBee]] e le più recenti proposte emerse in ambito IETF per le cosiddette ''low power lossy network''.
== Note ==
<references/>
==Bibliografia==
* I.F. Akyildiz, W. Su, Y. Sankarasubramaniam, E. Cayirci, Wireless sensor networks: a survey, Computer Networks, Volume 38, Issue 4, 15 March 2002, Pages 393-422, ISSN 1389-1286, 10.1016/S1389-1286(01)00302-4.
== Voci correlate ==
* [[Sensore]]
* [[TinyOS]]: un sistema operativo per le reti di sensori.
* [[NesC]]: un linguaggio di programmazione per le reti di sensori.
* [[ZigBee]]
* [[IEEE 802.15.4]]
* [[Z-Wave]]
== Altri progetti ==
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{{Controllo di autorità}}
[[Categoria:Telematica]]
[[Categoria:Telecomunicazioni]]
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