Wireless sensor network: differenze tra le versioni

Versione delle 12:05, 1 set 2018

Versione delle 14:10, 27 gen 2019

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I recenti progressi tecnologici nei sistemi microelettromeccanici ([[MEMS]], micro electro mechanical system), nelle comunicazioni [[wireless]] e nell'elettronica digitale hanno permesso lo sviluppo di piccoli apparecchi a bassa [[Potenza (elettrotecnica)|potenza]] dai costi contenuti, multifunzionali e capaci di comunicare tra loro tramite tecnologia wireless a raggio limitato. Questi piccoli apparecchi, chiamati '''[[Mote|nodi sensori]]''', '''sensor node''' (in inglese) o '''[[mote]]''' (principalmente nell'[[America settentrionale]]), sono formati da componenti in grado di rilevare grandezze fisiche ([[sensori]] di [[posizione]], [[temperatura]], [[umidità]] ecc.), di elaborare dati e di comunicare tra loro. Un sensore è comunemente definito come un particolare trasduttore che si trova in diretta interazione con il sistema misurato.

Una rete di sensori (detta anche '''sensor network''' in inglese) è costituita da un insieme di sensori disposti in prossimità oppure all'interno del fenomeno da osservare. Questi piccoli dispositivi sono prodotti e distribuiti in massa, hanno un costo di produzione trascurabile e sono caratterizzati da dimensioni e pesi molto ridotti. Ogni sensore ha una riserva d'[[energia]] limitata e non rinnovabile e, una volta messo in opera, deve lavorare autonomamente; per questo motivo tali dispositivi devono mantenere costantemente i consumi molto bassi, in modo da avere un maggior ciclo di vita. Per ottenere la maggior quantità possibile di dati occorre effettuare una massiccia distribuzione di sensori (nell'ordine delle migliaia o decine di migliaia) in modo da avere un'alta densità (fino a 20 nodi/m3) e far sì che i nodi siano tutti vicini tra loro, condizione necessaria affinché possano comunicare. 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 nodi sensore all'interno di una rete hanno la possibilità di collaborare tra loro dal momento che sono provvisti di un [[processore]] on-board; grazie a quest'ultimo, 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.

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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 all'ad [[SQL]]. Il flusso delle informazioni dipende dal meccanismo di elaborazione interno al database. La cosa più semplice sarebbe quella di lasciare al nodo sink il compito di collezionare tutte le informazioni da ciascun nodo sensore e quello dell'elaborazione dei dati.

Questo cosa è però impraticabile per diversi motivi:

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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 ede infinequindi all'utente finale. Il nodo sink consiste in un'[[antenna]] capace di illuminare tutto il dominio occupato dai nodi sensori ovvero l'area di sensing. La posizione dei nodi all'interno della rete non deve essere predeterminata in quanto questo consente di utilizzare questa tecnologia in posti difficilmente accessibili o in operazioni di soccorso in luoghi disastrati per i quali è necessaria una disposizione [[random]] dei nodi.

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.

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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 una "[[Linea_di_vista|line-of-sight]]" diretta tra il trasmettitore ed il ricevitore. Questo rende gli infrarossi di difficile utilizzo nelle reti di sensori dove solitamente i nodi sono disposti in modo random.

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.