Massimizzare il lifetime di una rete wireless mediante il posizionamento ottimo dei sensori

CAPITOLO 1. INTRODUZIONE ALLE RETI DI SENSORI WIRELESS
di un fenomeno, li elabora, eventualmente aggrega i risultati con le informazioni
provenienti da altri nodi e infine trasmette i dati verso una stazione base utilizzando
opportuni protocolli per la comunicazione. La stazione base o sink ha l’onere di
trasmettere i dati ricevuti direttamente verso un centro di raccolta in cui vengono
poi analizzati ed elaborati.
Per la realizzazione delle applicazioni sopra citate si potrebbe pensare di utilizzare
le attuali tecnologie delle reti ad hoc. Purtroppo, pur essendo stati proposti mol-
ti protocolli e algoritmi per le reti wireless ad-hoc tradizionali è difficile adattare
queste tecnologie alle esigenze delle WSN che si differenziano dalle reti normali
per molti aspetti:
• Il numero di nodi in una rete di sensori può essere di diversi ordini di gran-
dezza superiore rispetto al numero di nodi in una rete tradizionale.
• I sensori sono disposti con densità molto elevate.
• I sensori sono maggiormente soggetti a rottura.
• La topologia di una rete di sensori può modificarsi nel tempo.
• I sensori utilizzano spesso comunicazioni broadcast mentre la maggior parte
delle reti ad-hoc utilizzano comunicazioni point-to-point.
• I nodi di una rete di sensori hanno risorse energetiche molto limitate.
Mentre nelle reti tradizionali si punta a massimizzare la qualità di servizio (QOS,
Quality Of Service), in questa tipologia di reti il fattore energetico rappresenta il
vincolo più importante, infatti ogni nodo ha una fonte di energia limitata e non
rimpiazzabile. Considerando l’alta densità di nodi che caratterizza le WSN e con-
siderando che l’energia richiesta per trasmettere aumenta esponenzialmente con la
distanza ci si aspetta che nella maggior parte delle applicazioni vengano utilizzate
comunicazioni di tipo multi-hop, molto più convenienti rispetto alle comunicazioni
single-hop nelle quali ogni sensore dovrebbe comunicare direttamente con il sink.
1.1 Ambiti di impiego delle WSN
La grande versatilità delle reti di sensori wireless ne ha favorito l’impiego in di-
versi ambiti che possono essere classificati in cinque gruppi: controllo ambientale,
applicazioni militari, applicazioni mediche, applicazioni domotiche e applicazioni
industriali.
1.1.1 Applicazioni ambientali
In questo ambito le reti di sensori vengono utilizzate per monitorare parametri
ambientali tra i quali temperatura, concentrazione di inquinanti, rumore e segnale
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1.1. AMBITI DI IMPIEGO DELLE WSN
sismico. La necessità di monitorare vaste aree geografiche è spesso incompatibi-
le con la conformazione e l’accessibilità del territorio su cui s’intende utilizzare
il sistema di rilevamento. Alcune applicazioni riguardano il monitoraggio dello
spostamento di animali difficilmente osservabili (o il cui comportamento sareb-
be fortemente influenzato dalla presenza umana). Altre applicazioni riguardano
l’osservazione delle condizioni ambientali cui sono sottoposte le colture e gli alle-
vamenti di bestiame. Altre applicazioni sono possibili nella prevenzione di incendi
boschivi, nel monitoraggio delle attività sismiche e nello studio dell’inquinamen-
to.
Alcuni esempi pratici sono: il sistema ALERT utilizzato negli Stati Uniti per il
riconoscimento delle inondazioni marittime, oppure il sistema denominato Great
Duck Island Habitat Monitoring utilizzato per l’osservazione del comportamento
di una particolare specie di uccelli.
1.1.2 Applicazioni militari
Nell’ambiente militare alcune caratteristiche delle reti di sensori come la rapidità
di collocamento, l’auto-organizzazione dei nodi e la tolleranza ai guasti le rendono
particolarmente adatte per attività come il comando e controllo dei campi di bat-
taglia, la rilevazione degli spostamenti delle truppe nemiche, la sorveglianza e la
localizzazione dei bersagli e il riconoscimento di agenti chimici nell’ambito di bat-
taglie chimico-biologiche. La tolleranza ai guasti in questo ambito non si riferisce
ai singoli sensori ma alla rete intera che, essendo composta da molti nodi disposti
in maniera molto densa, riesce a tollerare la distruzione di alcuni sensori causata
da un’azione ostile.
1.1.3 Applicazioni mediche
In ambito sanitario le WSN sono utilizzate per il monitoraggio dei parametri fisio-
logici di pazienti, per il tracciamento dei pazienti e del personale medico all’interno
di strutture ospedaliere e per il controllo della somministrazione di farmaci. L’u-
tilizzo delle WSN all’interno delle strutture ospedaliere consente di monitorare i
parametri dei pazienti come temperatura, pressione sanguigna, pulsazioni cardia-
che in modo non invasivo per il paziente e consentendo un tempestivo intervento
dei medici in caso di bisogno. Esistono anche possibili impieghi per il monitorag-
gio remoto dei pazienti al di fuori delle strutture ospedaliere. Un simile sistema
denominato Health Smart Home è stato sviluppato dall’università di Grenoble in
Francia e dà ai pazienti la possibilità di essere sotto costante controllo medico,
evitando al tempo stesso la permanenza all’interno delle strutture ospedaliere.
1.1.4 Applicazioni domotiche
Con l’evoluzione tecnologica ci si può aspettare di trovare sensori in molti apparec-
chi elettronici all’interno della casa, come televisori, forni, frigoriferi e quant’altro
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CAPITOLO 1. INTRODUZIONE ALLE RETI DI SENSORI WIRELESS
e che tutti questi dispositivi possano interagire fra loro e comunicare verso il mon-
do esterno attraverso altre infrastrutture di rete come ad esempio internet. Altre
applicazioni delle WSN all’interno delle case si hanno per la gestione del clima,
si tratta di sistemi in grado di regolare la temperatura in ogni stanza sulla base di
diversi sensori disposti, ad esempio, in corrispondenza delle finestre per verifica-
re se queste siano aperte o chiuse oppure in corrispondenza di superfici vetrate in
modo da poter valutare l’effetto che la radiazione solare ha sulla temperatura del-
la stanza. Altre applicazioni si possono avere nell’ambito della sicurezza, dove è
possibile realizzare dei sistemi antifurto e di controllo dell’illuminazione.
Un’applicazione in questo ambito è stata sviluppata dall’università di Bologna nel
progetto denominato Casattenta con l’obiettivo di rendere interattivo e più sicuro
l’ambiente domestico. Questo sistema è rivolto soprattutto a persone particolar-
mente esposte al rischio di incidenti quali anziani, bambini, malati e portatori di
handicap. L’interattività del sistema consiste nella sua capacità di riconoscere il
verificarsi di particolari eventi ed attuare differenti reazioni. Questo è possibile
grazie all’utilizzo di due tipi di WSN che interagiscono tra di loro: una fissa e di-
slocata all’interno della casa e negli apparecchi elettronici e una mobile indossata
dagli utenti.
1.1.5 Applicazioni industriali
La continua ricerca della diminuzione dei costi per l’implementazione di sistemi di
controllo per i processi produttivi nel settore industriale ha portato all’utilizzo delle
reti di sensori anche in questo ambito. Le reti cablate vengono sempre più spesso
sostituite con reti di sensori wireless che consentono una maggiore flessibilità, una
maggiore facilità d’impiego, maggiore sicurezza, minori costi di manutenzione e
non hanno bisogno di cablaggi.
Un utilizzo pratico in quest’ambito è stato implementato da Sensicast per una delle
maggiori industrie di produzione d’acciaio. Il sistema è utilizzato per monitorare
la temperatura delle fornaci ed azionare i sistemi di raffreddamento in caso di sur-
riscaldamento. Se il sistema di raffreddamento non dovesse intervenire, l’acciaio
fuso brucerebbe le pareti della fornace con la fuoriuscita di metallo fuso, crean-
do pericolo alle persone e danni in termini d’interruzione della produzione. Dato
l’ambiente ostile e le alte temperature è particolarmente vantaggioso l’utilizzo di
una rete di sensori wireless al posto di una rete cablata in cui i cavi dovrebbero
essere opportunamente protetti.
1.2 Caratterizzazione delle reti di sensori wireless
Il progetto di una rete di sensori richiede la valutazione di diversi fattori tecnolo-
gici che dipendono dall’ambito applicativo in cui essa deve essere implementata.
Fattori fondamentali da considerare sono: costi produttivi, requisiti hardware, tol-
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1.2. CARATTERIZZAZIONE DELLE RETI DI SENSORI WIRELESS
leranza ai guasti, scalabilità, ambienti operativi, topologia di rete, posizionamento
dei nodi, consumi energetici e metodi di monitoraggio.
1.2.1 Costi produttivi
Come visto in precedenza uno dei vantaggi delle reti di sensori wireless è dato
dalla possibilità d’impiegare un numero molto elevato di sensori. Affinché questo
sia effettivamente un vantaggio si deve garantire che il costo di ciascun dispositivo
sia molto contenuto, infatti se il costo del numero di nodi richiesti supera il co-
sto di una normale struttura cablata i vantaggi tecnologici vengono annullati dallo
svantaggio economico. In alcuni ambiti il costo dei sensori è ancora molto eleva-
to, di conseguenza è necessario ridurre al minimo il numero di sensori impiegati
determinando in anticipo le posizioni ottimali dei nodi che consentono un’efficace
copertura dell’area da monitorare.
1.2.2 Requisiti hardware
Un nodo sensore è costituito essenzialmente da quattro moduli funzionali come
illustrato in figura 2: sensore, unità di elaborazione, trasmettitore/ricevitore e bat-
teria. L’unità di elaborazione ha il compito di processare tutti i dati rilevanti ed
Sensore ProcessoreMemoria TX/RX
Alimentazione (Batteria)
Figura 1.2: Componenti di un nodo sensore.
eseguire il codice che determina il comportamento del sensore. Essa ha quindi il
compito di processare i dati in ingresso provenienti dal sensore e fornire i dati in
uscita.
La memoria serve a memorizzare i programmi in esecuzione sul nodo e i dati ri-
levati dai sensori. Normalmente si utilizza una memoria di tipo RAM (Random
Access Memory) per la memorizzazione temporanea dei dati rilevati dai sensori e
per la memorizzazione di pacchetti provenienti da altri nodi. Per la memorizzazio-
ne dei programmi si utilizza solitamente una memoria ausiliaria di tipo EEPROM
(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) o FLASH.
I sensori costituiscono l’interfaccia con il mondo reale, esistono molti tipi diversi
di sensori ma la scelta deve essere sempre fatta considerando la dimensione e il
consumo energetico. Esistono ad esempio sensori di tipo passivo omnidirezionale
come i termometri, sensori di luminosità, accelerometri, microfoni misuratori di
pressione e misuratori di umidità. Altri sensori invece hanno bisogno di una de-
terminata direzione per eseguire le misurazioni, tra questi vi sono ad esempio le
telecamere. Un ultimo gruppo di sensori è rappresentato dai sensori attivi come
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CAPITOLO 1. INTRODUZIONE ALLE RETI DI SENSORI WIRELESS
i sonar e i radar che eseguono campionamenti periodici dell’ambiente circostante
per ottenere le informazioni.
Le componenti di comunicazione sono la parte hardware che consente l’intercon-
nessione della rete e la propagazione delle informazioni rilevate dai sensori. Il
metodo di comunicazione più comunemente utilizzato è la radiofrequenza ma esi-
stono metodi alternativi come la comunicazione ottica o quella a ultrasuoni. La
radiofrequenza viene solitamente preferita alle altre tecnologie per la sua grande
portata di trasmissione, per il suo basso tasso di errori e per il suo basso consumo
energetico.
Il metodo di alimentazione più comunemente utilizzato è la batteria, ma in ambien-
ti che lo consentono i sensori possono essere equipaggiati con celle fotovoltaiche
che consentono di aumentarne notevolmente le riserve energetiche.
1.2.3 Tolleranza ai guasti
I nodi di una rete di sensori sono facilmente soggetti a danneggiamento, infatti,
come già accennato, questi possono essere utilizzati in ambienti particolarmente
ostili come i campi di battaglia. In questi contesti un sensore può essere facilmente
danneggiato e ciò non deve pregiudicare il funzionamento dell’intera rete. Anche
tralasciando questo tipo di applicazioni, un nodo potrebbe cessare di funzionare
semplicemente a causa della mancanza di energia. Con tolleranza ai guasti viene
quindi indicata la capacità di una WSN di mantenere le sue funzionalità in corri-
spondenza del malfunzionamento dei suoi nodi. La tolleranza richiesta varia dal
tipo di applicazione, in una rete che monitorizza dei processi chimici la tolleranza
ai guasti dovrà essere superiore rispetto a quella di una rete che misura temperatura
e umidità in ambito domestico. In fase di progettazione va quindi tenuto a men-
te quale sia la tolleranza richiesta e cercare di rispettarla utilizzando le opportune
tecnologie.
1.2.4 Scalabilità
Il numero di sensori che è possibile posizionare in un area varia molto in funzione
della specifica applicazione. In alcuni casi è possibile avere centinaia di sensori
disposti molto vicini fra loro che possono raggiungere densità nell’ordine dei venti
dispositivi per metro quadrato. Una densità così elevata deve essere tenuta in con-
siderazione in fase di progettazione per garantire il funzionamento corretto della
rete. Inoltre si deve considerare che i singoli nodi possono evolvere nel tempo sia
in termini di numero (possono aumentare o diminuire) sia in termini di posizione.
Si pensi ad esempio a un’abitazione che contiene diversi elettrodomestici equipag-
giati con sensori, e una serie di persone che vi abitano anch’esse equipaggiate con
sensori di vario genere. In uno scenario simile è evidente che il cambiamento di
posizione di una sola persona all’interno di una stanza porti al cambiamento di
posizione dei sensori che porta addosso. Se una persona lascia la casa, il nume-
ro di sensori in quell’area diminuirà mentre se più persone si troveranno a parlare
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1.2. CARATTERIZZAZIONE DELLE RETI DI SENSORI WIRELESS
tra di loro si avrà un incremento della densità di sensori in quella zona. Si pensi
infine a luoghi molto affollati come può essere un’aula universitaria o un teatro,
in queste ambientazioni si raggiunge una densità di sensori molto elevata e si deve
garantire che i diversi dispositivi siano in grado di interagire fra loro senza generare
interferenze.
1.2.5 Ambienti operativi
I sensori possono essere utilizzati in luoghi fortemente inospitali, quali ad esempio
campi di battaglia o all’interno di processi produttivi caratterizzati da alte pressioni
o temperature. Il progetto di un sensore quindi non può prescindere dal contesto
all’interno del quale dovrà essere utilizzato. Tutto ciò deve essere naturalmente
fatto nel rispetto dei parametri di tolleranza ai guasti e contenendo i costi.
1.2.6 Topologia di rete
Per topologia di rete s’intende una particolare tipologia di rete sia dal punto di vi-
sta funzionale che dal punto di vista dell’interconnessione dei nodi necessaria alla
comunicazione. Come visto in precedenza in una WSN sia la posizione sia il nu-
mero di nodi possono variare nel tempo. È quindi necessario valutare l’utilizzo di
topologie di rete e di protocolli di routing che garantiscano l’affidabilità della rete
anche in corrispondenza di continui cambiamenti del numero e della posizione dei
nodi.
È possibile classificare le topologie di rete in tre diversi gruppi: reti a stella, reti
mesh o peer to peer ed infine reti ad albero. Nella topologia a stella si può indi-
Stella
Cluster
Cluster
Albero
Mesh
Figura 1.3: Classificazione delle topologie di rete.
viduare un nodo centrale, dotato di funzionalità di coordinatore: esso è definito
coordinatore della rete o centro della rete a stella, tutti gli altri nodi fanno riferi-
mento a questo nodo centrale, questo implica che la comunicazione tra due nodi
qualsiasi della rete debba passare necessariamente attraverso il coordinatore. Que-
sta topologia è la più semplice implementabile e consente l’impiego di protocolli
poco onerosi dal punto di vista computazionale per i nodi. In alcuni ambiti d’im-
piego dove i nodi si trovano necessariamente lontani dal coordinatore, l’utilizzo di
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CAPITOLO 1. INTRODUZIONE ALLE RETI DI SENSORI WIRELESS
questo tipo di rete può essere svantaggioso; sarebbe infatti necessario dotare i nodi
di moduli radio in grado di coprire grandi distanze e di conseguenza si avrebbe un
grande dispendio energetico per la comunicazione.
La topologia a stella viene superata in funzionalità dalle reti di tipo peer to peer
o mesh, in queste reti il ruolo del coordinatore non è essenziale dato che ogni di-
spositivo è in grado di connettersi con tutti gli altri. In questo modo è possibile
realizzare dei percorsi ridondanti che da un lato consentono di aumentare l’affida-
bilità della rete ma dall’altro richiedono l’implementazione di algoritmi di routing
più complessi.
Infine abbiamo la topologia ad albero in cui diversi cluster costituiti da gruppi di
nodi possono interconnettersi in modo simile ad una diramazione delle foglie su un
albero. Ciascun cluster è dotato di un nodo principale che rappresenta il punto di
accesso per la sottorete in questione. Il vantaggio di questa topologia rispetto alle
reti mesh è la riduzione dei percorsi di comunicazione possibili e ciò consente lo
sviluppo di sistemi di gestione meno complessi.
1.2.7 Disposizione dei sensori
Le reti di sensori wireless sono spesso impiegate in ambienti poco ospitali e dif-
ficilmente raggiungibili. I nodi devono quindi essere depositati su queste aree (ad
esempio con l’ausilio di appositi aerei) andando ad occupare posizioni per lo più
casuali. In altri ambiti, come ad esempio l’agricoltura di precisione è invece neces-
sario collocare i nodi con precisione nei punti di maggiore interesse. Si ha dunque
una distinzione tra WSN in cui i nodi vengono posizionati in maniera casuale e
WSN in cui i nodi vanno ad occupare posizioni ben precise e determinate in anti-
cipo. La maggior parte delle ricerche nel campo delle WSN assume che i nodi si
trovino disseminati uniformemente nell’area d’interesse e cercano di ottimizzare
il consumo energetico attraverso opportuni protocolli di funzionamento (routing,
accensione/spegnimento, ecc.). Negli ambiti in cui la posizione può essere prede-
terminata, è quindi di grande utilità ricercare quali siano le posizioni migliori in
cui collocare i nodi in modo da poter rilevare tutti gli eventi d’interesse e utilizzare
il minor numero di nodi possibile.
1.2.8 Consumi energetici
In una tipica applicazione di una rete di sensori wireless i vincoli su dimensioni e
costi dei nodi rendono impossibile l’utilizzo di batterie di grandi dimensioni. D’al-
tra parte anche la sostituzione regolare delle batterie è spesso improponibile a causa
dell’ambiente ostile in cui si vengono a trovare i sensori. È quindi d’importanza
vitale che un nodo consumi la minor quantità di energia possibile, cercando in que-
sto modo di aumentare il tempo di funzionamento del singolo nodo ma soprattutto
quello dell’intera rete.
In letteratura esistono diversi modi per definire il tempo di funzionamento della
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