2diverse grandezze fisiche e di comunicare via radio con un gran
numero di altri dispositivi dello stesso genere. Migliaia di questi
nodi possono ricoprire l'ambiente da monitorare per un lungo
periodo, consentendo così lo sviluppo di molteplici applicazioni.
Oggigiorno l'interesse riguardo le WSN si è focalizzato
soprattutto nel risolvere i problemi che attualmente non ne
consentono un utilizzo su larga scala, indispensabile per l'impiego
in applicazioni di carattere commerciale che ne permettano il
diffondersi.
Attualmente si sta indagando su come gestire in maniera più
efficiente il consumo energetico in modo da aumentare l'autonomia
della rete, come instradare in modo ottimo le comunicazioni dal
sensore all'utilizzatore, come raccogliere, memorizzare e
rappresentare i dati con la minima occupazione di memoria, come
risalire alla posizione geografica dell'origine dei dati e altro ancora.
Tra le varie applicazioni possibili per questo tipo di reti, quella
su cui intendiamo focalizzarci in questa trattazione riguarda il
monitoraggio costante dei parametri fisici di una persona, in
relazione anche al suo ambiente circostante. Infatti, in ambito
medico e riabilitativo, uno dei punti cruciali e’ sempre stato quello
di una corretta valutazione del paziente o soggetto posto sotto
controllo, difficilmente attuabile in visite ambulatoriali e di breve
durata.
La possibilità di monitorare le persone durante le attività
quotidiane ed agire di conseguenza e’ sempre stato un punto su cui
si è cercato, soprattutto negli ultimi tempi, di spingere al massimo
le competenze ingegneristiche in ambito clinico-medico. Uno dei
maggiori punti di ostacolo incontrati fino ad ora, ha riguardato
soprattutto la difficoltà di avere dispositivi indossabili, in grado di
acquisire importanti dati fisiologici e biomeccanici, ma senza
3interferire con il normale comportamento dell’utente. In particolare
la necessità di cablare i sensori posizionati sull’utente è da sempre
risultato un deterrente al loro utilizzo.
Le Wireless Sensor Network (WSN) si pongono come ottimo
strumento per la soluzione di questo problema e per rendere
efficaci sistemi indossabili per monitoraggio e controllo attivo su
performance fisiche. Inoltre, lo sviluppo di tecniche di analisi dati
non lineari permette l’implementazione di algoritmi in grado di
captare automaticamente l’insorgere di particolari atti motori ed
eventi a cui rispondere con un segnale di allarme, o con un preciso
biofeedback.
Le potenzialità delle WSN si integrano perfettamente con le
crescenti capacità computazionali messe a disposizione da
dispositivi portatili (ad es. computer palmari), al fine di progettare
sistemi adeguati per una perfetta portabilità ed indossabilità da
parte dell’utente.
Nelle successive pagine, quindi, presenteremo maggiormente
in dettaglio questo tipo di tecnologia, soffermandoci poi, più in
particolare sulle applicazioni in ambito di “safety” e di “healthcare”,
mostrando anche applicazioni pratiche di questa promettente
tecnologia.
4
5I. LO STATO DELL’ARTE DELLE WIRELESS SENSOR
NETWORKS.
1.1) Reti di sensori.
I progressi della tecnologia odierna hanno reso possibile la
costruzione di piccoli dispositivi in grado di raccogliere, elaborare e
comunicare dati. Il punto di forza dei sensori è proprio la loro
estrema compattezza unita a costi decisamente bassi. Questo
rende possibile la costruzione di reti WSN (Wireless Sensor
Network) di svariate centinaia di nodi pur mantenendo i costi
limitati.
Queste ultime sono particolari reti caratterizzate da un elevato
numero di dispositivi elettronici, detti nodi, i quali grazie ai
progressi raggiunti negli ultimi anni nel campo della tecnologia
microelettro-meccanica (MEMS) permettono di integrare in un
unico blocco di silicio sensori in grado di rilevare grandezze fisiche
e anche di svolgere delle elaborazioni. L'idea di fondo che sta alla
base dell'impiego delle WSN è l'utilizzo di un elevato numero di
nodi, organizzati autonomamente in un sistema intelligente di
gestione, rilevazione ed elaborazione, che permetta una maggior
risoluzione della misura effettuata rispetto al caso di un unico
sensore, in grado di fornire prestazioni migliori a scapito però di
costi superiori a parità d'informazione ottenuta; possono così
nascere nuove applicazioni e scopi per una rete distribuita di
numerosi sensori, finora preclusi ad un unico sensore intelligente.
Le applicazioni delle reti di sensori sono molteplici come pure
le differenti problematiche a seconda dell’utilizzo specifico. Si può
6citare di seguito alcuni dei vantaggi nell’impiego di sensori
wireless:
• non richiedono infrastrutture.
• sono autosufficienti, non necessitano di alimentazione
esterna.
• scambiano informazioni tra loro e con l’esterno via radio.
• se accessibili, si possono spostare a piacere (alto grado di
riconfigurabilità).
• sono in grado di organizzarsi autonomamente.
• nessun nodo è fondamentale, anche in caso di guasto di
alcuni nodi la rete continua a funzionare (entro certi limiti).
Figura 1: Struttura generale di una rete di sensori
71.1.1) Distinzione fra reti di sensori e reti ad-hoc.
In letteratura alcuni autori definiscono le WSN come delle
hybrid ad hoc networks. Tuttavia, nonostante siano stati proposti
per le tradizionali wireless ad hoc networks diversi algoritmi e
protocolli di comunicazione, sono pochi quelli che ben si adattano
alle caratteristiche particolari e ai requisiti applicativi delle reti di
sensori. Per questo motivo, pensare ad una WSN semplicemente
come ad una rete ad hoc multi-salto su vasta scala, potrebbe non
essere appropriato, per molti dei contesti applicativi reali.
Per capire meglio la differenza sostanziale tra le due reti è
opportuno sottolineare gli aspetti in cui differiscono.
Una rete mobile ad hoc (Mobile Ad-hoc NETwork - MANET) è
definita come un sistema autonomo di router (detti anche nodi)
mobili connessi mediante collegamenti senza fili. Tutti i nodi del
sistema collaborano al fine di instradare i pacchetti nel modo
corretto. A causa della mobilità impredicibile dei nodi, la topologia
di rete può cambiare costantemente.
Le reti ad hoc vengono costruite all'occorrenza ed utilizzate in
ambienti estremamente dinamici e possono operare senza l'aiuto di
una infrastruttura già esistente, come ad esempio dopo catastrofi
naturali, durante conflitti militari o in altre situazioni d'emergenza.
L'architettura di una rete ad hoc è orientata alla mobilità dei
suoi componenti e alla loro indipendenza dalle infrastrutture. Il
canale di comunicazione è, nella maggior parte dei casi, il canale a
radio frequenza, anche se esistono alcuni sistemi che utilizzano
connessioni ottiche, sfruttando lo spettro della luce infrarossa o più
di recente la tecnologia LASER.
8Il campo di applicazione delle reti di questo tipo è molto
vasto, così come sono molteplici le variabili in gioco che
influenzano il funzionamento delle stesse. Ad esempio, si può
passare dall'avere pochi nodi in un area che corrisponda al raggio
di copertura di un terminale, ad averne centinaia. La rete può
avere una topologia che consenta ad ogni nodo di essere in
visibilità di tutti gli altri o, più frequentemente, può essere
necessario ricorrere a tecniche di instradamento per raggiungere il
destinatario di una informazione.
L'intensità media del traffico di informazioni può assumere un
qualsiasi valore, fino al limite massimo imposto dalla qualità del
canale, dal tipo di accesso al mezzo e da altri fattori.
In genere la procedura iniziale di configurazione di un nodo
che si appresta a creare una rete ad hoc, oppure a inserirsi in una
rete esistente, consiste nella attuazione di una serie di operazioni
che permettono al nodo in questione di ottenere un proprio
indirizzo all'interno della rete, e di comunicare ai vicini la sua
presenza, qualora i protocolli di instradamento adottati lo
richiedano. Questa procedura va ripetuta nel tempo, in quanto per
definizione la topologia di una simile rete è in continua mutazione.
D’altro canto, invece, una rete di sensori può essere pensata
come un tipo particolare di rete ad hoc, con alcune differenze:
• I nodi sono spesso soggetti a guasti e, se raggiungibili,
possono essere sostituiti con grande facilità. I costi di una
singola unità sono irrisori e rendono le operazioni di
manutenzione poco dispendiose.
9• Il numero di nodi è molto più elevato rispetto alle tradizionali
reti ad hoc: si parte da qualche decina fino ad arrivare alle
migliaia di unità. Di conseguenza anche la densità di nodi per
unità di area può risultare molto alta.
• Le risorse dei sensori, a livello computazionale, sono
tipicamente scarse. Spesso si parla di pochi Kbyte di
memoria disponibile.
• I sensori usano come alimentazione una comune batteria,
che ha una durata limitata nel tempo.
• E' impossibile per un nodo avere un identificativo universale,
proprio a causa dell'elevato numero di sensori.
• Nelle WSN l'importanza del singolo nodo è decisamente
inferiore rispetto alle tradizionali reti ad-hoc. Le reti di
sensori vengono spesso usate per monitorare un certo
fenomeno: l'utente ha bisogno di una visione globale del
sistema e necessita di disporre di dati aggregati. Se un
sensore si guasta è probabile che le performance della rete
restino quasi invariate a causa della ridondanza dei nodi
caratteristica delle WSN.
• La topologia della rete varia continuamente. La topologia di
una WSN, è influenzata dalla disposizione fisica dei nodi, dal
fatto che siano accesi o spenti e dalla frequenza del risveglio.
10
Un punto focale della ricerca scientifica sulle WSN è il consumo
di energia. Dal momento che le applicazioni richiedono sistemi con
un lungo tempo di vita, occorre gestire al meglio l'energia a
disposizione. D'altra parte risulta impensabile cambiare le batterie
ai nodi visto l'elevato numero di sensori nella rete e il loro uso in
ambienti spesso ostili e inaccessibili. Risulta dunque fondamentale
riuscire a ridurre il più possibile i consumi pur mantenendo
l'efficienza della rete.
Ricevi informazioni sui nostri servizi, sulle offerte e non perdere news e consigli su università e lavoro.
