Misura delle prestazioni di una rete di sensori IEEE 802.15.4 con CSMA-CA in presenza di interferenze

  ξ  Capitolo 1: viene presentata una panoramica generale delle reti di sensori wireless. Si 
descrivono le loro caratteristiche, l’origine storica e le possibili applicazioni; 
 ξ  Capitolo 2: si descrivono le caratteristiche dei vari componenti dei sensoti Tmote Sky 
della MoteIv, utilizzati nella tesi; 
 ξ  Capitolo 3: vengono descritte le caratteristiche che deve avere un sistema operativo 
utilizzato nelle reti di sensori wireless e si dà una visione generale di TinyOS; 
 ξ  Capitolo 4: viene presentata una descrizione dettagliata di quelle parti dello standard 
IEEE 802.15.4 che sono fondamentali per la comprensione dei concetti esposti più 
avanti nella tesi; 
 ξ  Capitolo 5: viene presentato il software Factory Sniffer e ne viene spiegato l’utilizzo 
mediante l’interfaccia grafica, senza soffermarsi sulla sua implementazione in TinyOS; 
 ξ  Capitolo 6: vengono riportati i risultati delle misure svolte e lo scenario dove è stato 
testato il sistema 
 
 
 
 
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Questo capitolo presenta una visione generale delle reti di sensori wireless mettendo in 
evidenza le loro caratteristiche e gli ambiti in cui possono essere impiegati. 
Per prima cosa è opportuno suddividere le reti di comunicazione (cablate e wireless) in base 
alla loro estensione. Come si può vedere in Figura 1-1 esse possono essere denominate: 
 ξ  BAN: Body Area Network, ossia reti limitate ad una decina di metri dal corpo 
dell’utente. Sono essenzialmente concepite come reti wireless caratterizzate da 
bassissimi livelli di emissione di potenza (inferiori ad 1 mW). Si prevede per esse un 
futuro soprattutto nell’ambito biomedicale (monitoraggio mediante sensori del battito 
cardiaco), in combinazione con dispositivi che possano interfacciarsi a reti più vaste 
(cellulari, ad esempio); 
 ξ  PAN: Personal Area Network, reti personali. Anche in questo caso si parla quasi 
esclusivamente di reti wireless a bassa potenza (lo stesso ordine di grandezza delle 
BAN). Il raggio di copertura è di una decina di metri o poco più. Rientrano in queste 
reti le tecnologie (come Bluetooth) per collegare computer portatili, cellulari e PDA 
(Personal Digital Assistant). Fa parte di questa categoria anche l’insieme di tecnologie 
che verranno descritte nel corso della tesi; 
 ξ  LAN: Local Area Network, reti locali. Inizialmente sono nate in ambito cablato (con 
Ethernet principalmente) e poi si sono sviluppate anche in ambiente wireless. Forse la 
tecnologia più diffusa o conosciuta è WiFi (Wireless Fidelity). La copertura di queste 
reti è di qualche centinaio di metri e rispetto alle precedenti comincia a diventare molto 
Cappelletto Mirko  Capitolo 1. Reti di sensori wireless 
importante la banda fornita. A questo livello si parla di connessioni Internet e di servizi 
di streaming audio o video. Le prestazioni fornite dalla tecnologia wireless sono spinte 
al limite. 
 ξ  MAN: Metropolitan Area Network. Si parla quasi esclusivamente di reti cablate, per il 
trasporto di grandi flussi di dati. Come suggerito dal nome si tratta di reti a livello 
cittadino con estensione di qualche km. 
 ξ  WAN: Wide Area Network. Macro reti a livello mondiale, via cavo o su link satellitari. 
Rappresentano il cuore della rete Internet. 
Questa suddivisione risulta necessaria per capire l’ambito in cui si inseriscono le reti di sensori 
wireless (WSN, Wireless Sensor Networks). Il raggio d’azione dei dispositivi utilizzati in una 
rete di questo tipo raggiunge al massimo qualche decina di metri e fornisce prestazioni limitate 
in termini di banda e capacità di elaborazione. Si possono quindi circoscrivere tutte le reti di 
sensori alle reti di tipo PAN. 
 
Figura 1-1: Classificazione delle reti in funzione dell’area coperta 
 
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Cappelletto Mirko  Capitolo 1. Reti di sensori wireless 
 
Figura 1-2: Tecnologie a confronto 
 
1.1. Aspetti generali delle reti di sensori wireless 
I nodi sensore sono piccoli apparecchi a bassa potenza, dai costi contenuti, multifunzionali e 
capaci di comunicare tra loro tramite tecnologia wireless a raggio limitato. 
Ogni nodo è composto essenzialmente da due parti: la prima riguarda il sensore vero e proprio 
(ossia il dispositivo in grado di rilevare grandezze fisiche come temperatura, umidità, 
pressione, accelerazione, posizione, …), mentre la seconda consiste in un transceiver per le 
trasmissioni radio e un microprocessore per l’elaborazione delle informazioni. 
Una rete di sensori wireless (WSN) è un insieme di nodi sensore disposti in prossimità oppure 
all’interno del fenomeno da osservare. Infatti, una delle più comuni applicazioni in cui è 
possibile far uso di una rete di sensori è quella di monitorare ambienti fisici come ad esempio 
controllare il traffico in una grande città oppure raccogliere dati da un’area disastrata da un 
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Cappelletto Mirko  Capitolo 1. Reti di sensori wireless 
terremoto. Il numero di sensori che compongono la rete varia da qualche decina a svariate 
migliaia. Le informazioni raccolte vengono poi inviate verso una stazione base (sink), passando 
da un nodo ad un altro secondo un protocollo multi-hop, ed infine trasferite, via internet o via 
satellite, verso un centro di raccolta (Figura 1-3). Si possono prevedere configurazioni con più 
stazioni base, eventualmente mobili (ad esempio un aereo in volo), e in questo caso i nodi 
convogliano i dati verso un sottoinsieme delle stazioni stesse. 
 
Figura 1-3: Rete di sensori 
 
In generale si parla di dispositivi piccoli, alimentati a batteria, nei quali la sostituzione della 
batteria non è quasi mai agevole. Spesso quando la carica della batteria termina il nodo è da 
considerarsi morto e di conseguenza, nella valutazione delle prestazioni di una WSN, 
l’efficienza energetica assume un’importanza fondamentale dato che essa è legata al tempo di 
vita dei sensori e quindi al tempo di vita della rete. 
 
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Cappelletto Mirko  Capitolo 1. Reti di sensori wireless 
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1.2. Dalle reti cablate al wireless 
Le reti di sensori sono nate con strutture di comunicazione cablate che soffrono però di gravi 
limitazioni: in primo luogo l’impossibilità o le difficoltà d’installazione in ambienti inospitali 
per l’uomo. A ciò si aggiunge un problema implicito di costi visto che l’installazione di 
ciascun dispositivo richiede manodopera e materiali per le operazioni di cablatura; inoltre una 
struttura cablata è essenzialmente rigida, cioè risulta difficile aggiungere nuovi nodi alla rete o 
modificare la posizione di sensori preesistenti senza riconsiderare l’intera struttura della rete: si 
pensi a semplici applicazioni per il controllo del riscaldamento o dell’illuminazione di 
un’abitazione residenziale. 
Le soluzioni wireless si presentano indubbiamente vantaggiose per applicazioni che richiedono: 
 ξ  flessibilità e scalabilità; 
 ξ  semplicità di installazione; 
 ξ  possibilità di coprire aree ad ampio raggio; 
 ξ  capacità della rete di auto-configurarsi ed auto-organizzarsi; 
 ξ  tolleranza ai guasti; 
 ξ  scarsa manutenzione. 
Al tempo stesso si dovrà tener conto del fatto che i vantaggi appena descritti in molte 
applicazioni non sono sufficienti per prevedere la completa sostituzione delle reti cablate: basti 
pensare a problemi di propagazione del segnale, interferenze, sicurezza, requisiti di potenza, 
norme legislative. Ciò porta a valutare in sede di progetto la possibilità di realizzare reti di tipo 
ibrido in cui sono presenti contemporaneamente una parte cablata e una parte wireless, in 
grado di cooperare ed interagire fra loro in modo trasparente per l’utente finale. 
Cappelletto Mirko  Capitolo 1. Reti di sensori wireless 
In questo contesto le reti di sensori wireless possono essere considerate come una estensione 
delle reti cablate, laddove l’utilizzo delle tecnologie wireless aggiunge valore specifico 
all’applicazione. 
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 wireless è maggiore rispetto all’utilizzo di una rete 
cablata tradizionale allora l’uso di una rete di sensori wireless potrebbe non essere 
giustificabile. Il costo di un nodo sensore dovrebbe perciò essere inferiore ad 1 dollaro. La 
Figura 1-4 mostra l’andamento previsionale dei costi di un sensore in un futuro prossimo. 
La maggioranza dei prodotti wireless attualmente disponibili sul mercato sono soluzioni 
proprietarie specializzate che operano nelle bande di frequenza dei 900 MHz e dei 2,4 GHz. Al 
momento esistono alcuni standard wireless che coprono un numero sempre crescente di 
applicazioni, dalla telefonia (GSM, GPRS, UMTS, DECT, ecc.) alle reti locali, denominate 
WLAN
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 (Bluetooth, HomeRF, 802.11, …). 
 
Figura 1-4: Previsione dei costi 
 
                                                 
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 Wireless Local Area Network 
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Cappelletto Mirko  Capitolo 1. Reti di sensori wireless 
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1.3. Cenni storici 
La prima volta che le wireless sensor networks furono utilizzate fu durante la guerra fredda 
dalla difesa americana per monitorare gli spostamenti dei sottomarini sovietici (SOSUS, SOund 
SUirveillance System) e tutt’ora sono impiegate per monitorare i fondali oceanici. 
Le moderne ricerche condotte su reti di sensori wireless iniziarono nel 1980 con le DNS (reti 
di sensori distribuiti) progettate da DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency). 
Un primo progetto importante fu portato avanti dal MIT (Massachusetts Institute of 
Technology): questo progetto consisteva in particolari elaborazioni di segnali acustici per il 
rilevamento di elicotteri e aerei, basandosi sul ritardo di propagazione dei segnali acustici. 
Il principale ostacolo a quel tempo era costituito dalle dimensioni dei sensori, proprio perché lo 
sviluppo di questa tecnologia presuppone una certa maturità di svariate discipline. 
I recenti progressi tecnologici nei sistemi micro-elettro-meccanici (MEMS, Micro-Electro-
Mechanical Systems), nelle comunicazioni wireless e nell’elettronica digitale hanno permesso 
la realizzazione di nodi piccoli, a bassa potenza e a costi contenuti. 
 
1.4. Applicazioni per reti di sensori 
È possibile classificare le applicazioni in cui usare le reti di sensori in 5 categorie: militari, 
ambiente, salute, domestiche e commerciali [5]. 
 
1.4.1. Applicazioni militari 
Il rapido dispiegamento, l’auto-organizzazione e la tolleranza ai guasti fanno una rete di sensori 
una promettente tecnica per il campo militare. Poiché una rete di sensori è basata su una densa 
Cappelletto Mirko  Capitolo 1. Reti di sensori wireless 
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disposizione 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 
tradizionali dispositivi di rilevamento. Le possibili applicazioni vanno dal monitoraggio di 
forze alleate, equipaggiamenti e munizioni alla sorveglianza del campo di battaglia. Oppure, 
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 per il riconoscimento del tipo di un 
attacco (nucleare, biologico o chimico). La Figura 1-5 mostra i sensori che vengono gettati da 
un aeroplano e che, auto-organizzandosi, sono in grado di monitorare l’attività di veicoli 
militari in una zona deserta. 
 
1.4.2. Applicazioni ambientali 
Alcune applicazioni ambientali riguardano ad esempio il monitoraggio del movimento di 
uccelli, piccoli animali, insetti. È possibile anche effettuare il monitoraggio di una foresta per 
rilevare prontamente eventuali incendi. Negli Stati Uniti è stato messo a