Progetto di una rete ZigBee orientata ad applicazioni di tecnologie assistive

Prefazione 
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Prefazione 
 
 
 
Il progressivo innalzamento dell’età media verificatosi nei paesi più 
industrializzati negli ultimi decenni, unitamente ad un aumento 
dell’aspettativa di vita, ha portato in primo piano molte problematiche relative 
alla cura ed all’assistenza delle persone anziane o disabili. La necessità di 
garantire uno standard di vita accettabile anche ad individui parzialmente non 
autosufficienti ha spinto la ricerca scientifica nell’ambito delle tecnologie 
assistive, dove per tecnologie assistive sono intese tutte quelle soluzioni 
tecniche, hardware e software, che permettano di ridurre ai minimi termini le 
condizioni di disagio di anziani e diversamente abili. 
 
L’obiettivo che ci si è proposti è la realizzazione di un sistema di assistenza 
per persone parzialmente non autosufficienti. Esso rientra in un progetto a 
più ampio respiro nell’ambito delle tecnologie assistive, e costituisce una 
sperimentazione sul campo delle tecnologie domotiche e dell’automazione; in 
particolare è già stato realizzato ed è tuttora in fase di sperimentazione in 
una residenza protetta per anziani a Cà Bonaparte frazione di Neviano degli 
Arduini in provincia di Parma, un sistema domotico basato su rete Ethernet. 
In questo sistema sono presenti numerosi sensori per il controllo ambientale , 
atti alla rilevazione di movimento, fumo, temperatura e allagamento, in modo 
che alle classiche funzioni di automazione domestica, come l’accensione e lo 
spegnimento automatico delle luci o il controllo dei consumi, si possano 
affiancare servizi avanzati, come la definizione di regole di intervento a 
seguito di particolari eventi. Si pensi ad esempio al caso di un allagamento: 
sarebbe possibile in tal caso comandare tempestivamente l’interruzione 
dell’erogazione dell’acqua e della corrente elettrica. I vantaggi di questo 
sistema rispetto alle soluzioni commerciali già disponibili sono molteplici: in 
primo luogo, la completa programmabilità e configurabilità è fondamentale 
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per applicazioni di tecnologie assistive, poichè i soggetti ai quali si rivolgono 
soffriranno di patologie differenti tra loro, ed è necessario perciò un 
trattamento ad hoc a seconda dei casi. In secondo luogo, il sistema si basa 
su tecnologie di largo consumo e non dedicate alla demotica: questo 
comporta l’abbattimento dei costi dell’infrastruttura nonché la possibilità di 
espandere facilmente il sistema, potendo contare su un numero maggiore di 
ausilii. 
Il sistema già realizzato può quindi accogliere nuovi ed avanzati servizi: nel 
caso specifico, l’idea è quella di dotare ogni anziano di un terminale mobile, 
celato in oggetti di uso comune, dotato di un pulsante di allarme in grado di 
segnalare la necessità di soccorso ad una struttura di assistenza 
centralizzata. Questo rappresenta la declinazione più semplice possibile del 
sistema desiderato, ma può essere esteso allo scopo di rilevare cadute 
(attraverso l’integrazione di un accelerometro con adeguate elaborazioni di 
segnale), in modo tale che l’invio di un messaggio di richiesta di aiuto 
avvenga anche senza la pressione del pulsante di soccorso, o di mantenere 
sotto continuo controllo alcuni parametri vitali del paziente, per poter 
intervenire tempestivamente in caso di anomalie. 
Un ulteriore nodo mobile verrebbe dato in dotazione alla persona addetta alla 
cura dell’anziano, cosicché possa essere avvertita tempestivamente di ogni 
richiesta di aiuto del proprio assistito. 
 
Come è facilmente intuibile, esistono alcuni importanti vincoli alla 
realizzazione di sistemi come quello suggerito: ad esempio, il terminale 
mobile dovrà essere invasivo il meno possibile, e ciò si tradurrà in dimensioni 
minime, estrema semplicità d’uso, consumi ridotti e impiego di tecnologie di 
comunicazione wireless; cionondimeno, il costo del singolo terminale dovrà 
essere particolarmente contenuto, specie se lo si pensa in un contesto di 
ampie WSN (Wireless Sensor Network), delle quali ci si occuperà nel 
capitolo 1.  
 
Le ragioni di questi vincoli sono evidenti: le dimensioni ridotte consentono di 
celare il dispositivo in oggetti di uso quotidiano (cinture, spille, etc), ciò 
nell’ottica di alterare il meno possibile la vita di persone anziane che 
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potrebbero risultare intimorite da un oggetto ingombrante o pesante da 
indossare tutto il giorno. Anche la semplicità nell’utilizzo si rifà a questo 
proposito, poiché in caso di necessità, l’operazione da svolgere per chiedere 
aiuto dovrà essere il più possibile naturale. La portabilità impone poi 
l’impiego di tecnologie di comunicazione wireless, e così pure richiede 
alimentazione a batteria; ciò significa un notevole impegno verso la riduzione 
dei consumi al minimo per poter dilazionare il più possibile la sostituzione 
della stessa, unica operazione che dovrà essere svolta sul terminale mobile 
in fase di funzionamento a regime. 
 
In virtù delle funzionalità implementate dal terminale mobile, poi, dovranno 
essere studiate politiche di gestione dello stesso, compatibilmente con i 
compromessi già elencati in precedenza. 
Posto che il vincolo relativo alle minime dimensioni del sensore mobile è 
subordinato alle attività previste ed alla tecnologia impiegata per la 
produzione, ci si soffermerà maggiormente sugli altri aspetti relativi alla 
progettazione, ovvero la dissipazione di potenza e la struttura delle reti 
wireless in cui i sensori interagiscono. 
Per quanto concerne quest’ultimo argomento, fondamentale risulta essere la 
scelta del protocollo di rete: esso dovrà garantire comunicazioni affidabili, su 
distanze medio-basse, con un minimo consumo di potenza, almeno sul lato 
mobile. In quest’ottica si possono individuare alcune alternative disponibili sul 
mercato, che verranno confrontate per trovare la soluzione più adatta allo 
scopo. 
Non meno importante sarà la realizzazione hardware del dispositivo mobile 
di cui sopra: per conseguire i risultati desiderati in termini di consumo di 
potenza, di funzionalità implementate, e dimensioni sarà indispensabile una 
scelta accorta dei componenti (microcontrollori low-power, sensori MEMS - 
Micro Electro Mechanical Systems -, transceiver radio etc). 
 
Nel primo capitolo è esposta una panoramica sulle reti di sensori wireless, 
seguita dalle valutazioni che hanno portato alla scelta del protocollo di rete e 
dalle considerazioni sul consumo di potenza nei dispositivi mobili all’interno 
di reti wireless. 
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Nel secondo capitolo verrà approfondito lo standard di rete ZigBee, 
presentato nell’implementazione Microchip utilizzata. 
Nel terzo capitolo verrà esposto il firmware compilato per realizzare 
l’infrastruttura di rete richiesta, con particolare rilievo per le funzionalità 
relative alla localizzazione. 
Nel quarto capitolo verrà mostrato il software di controllo e comando della 
rete, sviluppato in ambiente Visual Basic. 
Nel quinto capitolo si approfondiranno le tematiche di localizzazione, 
illustrando diversi approcci vagliati attraverso misure e simulazioni. 
Nel sesto capitolo verranno tirate le conclusioni del lavoro svolto, indicando i 
risultati ottenuti e specificando i possibili sviluppi futuri. 
In appendice è riportato un documento attestante lo studio preliminare svolto 
per tracciare le linee guida utili alla scelta dei componenti di un sensore 
wireless.
Capitolo 1 
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Capitolo 1 
 
 
1.1 Wireless Sensor Network 
 
Quello delle tecnologie assistive è solo uno dei campi in cui le reti di sensori 
wireless si stanno diffondendo a macchia d’olio negli ultimi anni. In molti altri 
ambiti (monitoraggio ambientale, logistica industriale, sistemi di sicurezza, 
domotica, etc) sono in continua crescita le ricerche e le applicazioni: si può 
considerare questo fenomeno come un ulteriore passo in avanti nel trend che 
privilegia l’elaborazione distribuita a discapito dei grandi sistemi di calcolo 
centralizzati. Per una panoramica su soluzioni commerciali di sensori mobili e 
linee guida per la scelta dei componenti di terminali di questo tipo si rimanda 
all’appendice dedicata. 
Di norma una WSN si compone di un numero molto variabile di terminali 
mobili, intercomunicanti tra loro o meno a seconda della topologia di rete, 
amministrati da un coordinatore di rete che si occupa di raccogliere ed 
elaborare i dati già parzialmente processati da essi, oltre ad attuare le 
indispensabili politiche di gestione dei sensori.  
Da queste prime parole emergono chiaramente i due limiti principali che 
devono essere superati per poter rendere vantaggiosa una WSN rispetto 
all’equivalente soluzione cablata: la modesta quantità di energia resa 
disponibile dall’alimentazione a batteria ed il costo per singolo terminale. 
Partendo da quest’ultimo aspetto, c’è da considerare che una rete di questo 
tipo può arrivare a contare decine o centinaia di nodi mobili, ed in futuro si 
spera di poter estendere questo limite alle migliaia di unità, pertanto è 
lampante come il costo unitario dei nodi non possa essere proibitivo, pena 
rendere la soluzione WSN poco appetibile commercialmente. Da questo 
punto di vista, l’esplosione delle reti di sensori senza fili non può che venire 
in aiuto, poiché com’è ovvio, in una economia di scala, una maggiore 
Capitolo 1 
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domanda porta ad un calo generalizzato dei prezzi grazie all’aumento dei 
volumi di produzione e di vendita. 
 
Più critico è il problema energetico: i terminali mobili devono essere 
necessariamente alimentati con batterie, le quali non seguono lo sviluppo 
tecnologico alla medesima velocità dei circuiti microelettronici: la capacità di 
immagazzinare energia cresce molto più lentamente di quanto non faccia la 
capacità computazionale dei moderni calcolatori. Dovendo estendere il più 
possibile l’autonomia dei terminali mobili (che non saranno sempre 
facilmente accessibili o ricaricabili), si dovranno seguire le uniche due strade 
praticabili: contenimento del consumo di energia dei circuiti elettronici (con 
tecniche produttive ed architetturali ma anche con adeguate politiche di 
gestione) e tentativo di estrazione dall’ambiente di energia (Energy 
Scavenging). 
 
Detto ciò, non esistono altri vincoli significativi alla realizzazione di una WSN, 
se non quelli che pone l’applicazione specifica: non è richiesta particolare 
potenza di calcolo o memoria proprio perché ogni singolo nodo elabora una 
minima mole di dati, e così pure non rappresentano un problema il basso 
data rate ed il modesto raggio di comunicazione di rete. 
 
 
1.2 Comunicazione wireless: Ottica Vs RF 
 
Per poter conciliare tutti gli aspetti sin qui elencati, è indispensabile affidarsi 
ad una infrastruttura di rete adeguata, basata su uno standard che consenta 
di rispettare i vincoli su costi e consumi di potenza, in grado di configurare 
dinamicamente ed autonomamente la rete senza interventi esterni, potendo 
trascurare ciò che concerne le prestazioni velocistiche. A livello fisico 
possiamo distinguere i due principali sistemi di comunicazione plausibili: RF 
ed ottico, di cui vediamo un sintetico confronto in figura 1.1: 
Capitolo 1 
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Figura 1.1: confronto tra comunicazione ottica e a radiofrequenza 
 
La soluzione ottica presenta diversi vantaggi, soprattutto in fatto di consumo 
energetico, a maggior ragione se si impiegano tecniche di comunicazione 
passive (il terminale mobile non emette alcun impulso ma si limita a riflettere, 
attraverso un particolare tipo di MEMS, in modo differente un fascio laser 
proveniente dalla stazione fissa, comunicando con una sorta di “codice 
Morse”). Inoltre, le tecnologie IrDa sono sufficientemente mature per un loro 
impiego su vasta scala. Per contro, sono limitate dal basso numero di 
dispositivi che possono interagire ma soprattutto dall’ostacolo principale che 
limita la diffusione delle comunicazioni ottiche: la necessità di visibilità tra 
trasmettitore e ricevitore. Questo di fatto confina l’impiego dell’ottica ad 
applicazioni di nicchia, lasciando la fetta di mercato maggiore alle soluzioni 
RF, parecchio collaudate e più consone allo scopo, seppur meno efficienti 
energeticamente e con qualche vincolo dimensionale in più. 
 
Nel campo delle comunicazioni a radiofrequenza sono disponibili diversi 
standard che possano indicativamente soddisfare le richieste avanzate in 
fase di progetto: verranno di seguito esposti i principali candidati, 
mostrandone pregi e difetti al fine di individuare il più adatto allo scopo, che 
verrà poi sviscerato nel capitolo 2.