Wireless sensor network: differenze tra le versioni

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== Introduzione ==

[[Image:WSN.svg|400px|right|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.

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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.

È possibile classificare le applicazioni in cui si possono usare le reti di sensori in militari, ambientali, sanitarie, casalinghe e commerciali.

=== 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 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.

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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 posizionata in cima al ghiacciaio che provvederà al trasferimento di questi a chi di competenza.

=== 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 è anche possibile usare i sensori per l'identificazione di allergie.

=== 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]] 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:

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* ''Controllo dell'ambiente in ufficio'': di solito il sistema di gestione del [[riscaldamento]] o dell'aria condizionata è centralizzato e quindi la temperatura in [[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.

== 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:

==== Tolleranza ai guasti ====

Nella rete di sensori c'è la possibilità che alcuni nodi della rete siano affetti da malfunzionamenti o guasti le cui cause possono essere danni fisici, interferenze o batterie scariche. La tolleranza ai guasti è la capacità di far funzionare una rete di sensori anche in caso di malfunzionamento da parte di alcuni nodi.

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I protocolli e gli algoritmi possono essere progettati in modo da garantire il livello di tolleranza ai guasti richiesto dalla rete. Il livello di tolleranza dipende fortemente dall'applicazione in cui viene utilizzata la rete di sensori (uso militare, domestico, commerciale, etc...).

==== Scalabilità ====

Il sistema deve essere in grado di funzionare anche all'aumentare del numero di nodi (che possono andare da un basso numero di unità, fino ad arrivare a qualche milione di sensori). La scalabilità può essere ottenuta anche sfruttando la natura densa delle reti di sensori.

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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.

==== Costi di produzione ====

Poiché una rete di sensori è formata da un grande numero di nodi, il costo di un singolo nodo è molto importante. Se il costo della rete è maggiore rispetto all'utilizzo dei sensori tradizionali allora l'uso di una rete di sensori non è giustificabile.

Il costo di un nodo sensore dovrebbe perciò essere abbastanza basso (minore di 1 [[euro]]). Questo è un obbiettivo non molto facile da raggiungere in quanto attualmente solo il prezzo di una radio [[bluetooth]] (che è considerato un apparecchio economico), è almeno 10 volte superiore al prezzo indicato. Un nodo ha anche altre unità come un processore o un campionatore; inoltre in alcune applicazioni può essere necessario equipaggiare un nodo con un sistema di posizionamento globale ([[GPS]]). Tutte queste cose portano ad un incremento del costo di un sensore.

==== Ambiente operativo ====

I sensori sono disposti molto vicino o addirittura all'interno del fenomeno da osservare. Perciò, spesso, si trovano a lavorare in zone geografiche remote (es: all'interno di un macchinario, in fondo all'oceano, sulla superficie dell'oceano durante un [[tornado]], in una zona biologicamente o chimicamente contaminata, in un campo di battaglia etc..) e senza la supervisione dell'uomo.

Tutto ciò dà un'idea delle condizioni sotto le quali i sensori devono essere capaci di funzionare (devono sopportare alte pressioni se lavorano in fondo all'oceano, alte o basse temperature etc..).

==== Topologia della rete ====

Un gran numero di nodi sono disposti l'uno accanto all'altro a volte anche con un'alta densità. Questo richiede un'attenta attività per il mantenimento della topologia.

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* ''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 ====

Un nodo sensore è composto da quattro unità base:

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Queste quattro componenti sono quelle basilari per un nodo sensore.

==== Mezzo di trasmissione ====

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.

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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 ====

Un sensore è dotato di una limitata sorgente di energia. Il tempo di vita di un nodo sensore dipende molto dal tempo di vita della batteria. In una rete di sensori ogni nodo ha il ruolo sia di generare che di ricevere dati, perciò la scomparsa di alcuni nodi può portare a significativi cambiamenti topologici che possono richiedere una riorganizzazione della rete e del routing.

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[[Categoria:Applicazioni della radio]]

[[ar:شبكات استشعار لاسلكية]]

[[de:Sensornetz]]

[[en:Wireless sensor network]]

[[es:Red de sensores]]

[[fa:شبکه بی‌سیم حسگر]]

[[fr:Réseau de capteurs sans-fil]]

[[ko:센서 네트워크]]

[[hr:Bežične mreže osjetila]]

[[pl:WSN]]

[[pt:RSSF]]

[[zh:传感器网络]]