Capitolo 1 : Rete di sensori wireless
Le reti di sensori wireless, note anche come WSN, sono reti costituite da sensori geograficamente sparsi e dedicati. Questi sensori monitorano e registrano le condizioni ambientali e quindi trasmettono i dati raccolti a un punto centralizzato. Le WSN hanno la capacità di monitorare gli aspetti dell'ambiente, tra cui temperatura, suono, livelli di inquinamento, umidità e vento. Queste reti sono utilizzate in una varietà di applicazioni commerciali e industriali, come il monitoraggio e il controllo dei processi industriali e il monitoraggio dello stato di salute delle macchine.
Una rete di sensori wireless (WSN) è composta da "nodi", che possono variare in numero da pochi a centinaia o migliaia. Ogni nodo della rete è collegato ad altri sensori. Ciascuno di questi nodi è tipicamente costituito da diversi componenti, tra cui un ricetrasmettitore radio con un'antenna interna o una connessione a un'antenna esterna, un microcontrollore, un circuito elettronico per l'interfacciamento con i sensori e una fonte di energia, che in genere è una batteria o una qualche forma di raccolta di energia incorporata all'interno del nodo. Un nodo sensore potrebbe essere grande come una scatola da scarpe o piccolo come una particella di polvere (almeno in teoria), ma le dimensioni microscopiche non sono ancora state raggiunte nella pratica. Allo stesso modo, il costo di un nodo sensore può variare da pochi dollari a centinaia di dollari, a seconda del livello di complessità del nodo. La disponibilità di risorse come energia, memoria, velocità di elaborazione e larghezza di banda delle comunicazioni potrebbe essere limitata a causa di limiti di dimensioni e costi. La topologia di una WSN può variare da una semplice rete a stelle a una complessa rete mesh wireless multi-hop. Entrambe queste topologie sono esempi di WSN. Sia il routing che il flooding sono opzioni valide per la propagazione.
Le WSN vengono spesso utilizzate ai fini del monitoraggio dell'area. Nel processo di monitoraggio dell'area, un WSN è posizionato in tutta un'area che viene osservata per un determinato fenomeno. Un esempio di geofencing nella vita civile è la chiusura di gasdotti o oleodotti, mentre un esempio del suo utilizzo in ambito militare sarebbe l'installazione di sensori per rilevare la presenza di forze ostili.
Le reti di sensori impiantate, indossabili e integrate nell'ambiente sono le tre categorie principali di reti di sensori utilizzate nelle applicazioni mediche. Il termine "dispositivi medici impiantabili" si riferisce a quelli progettati per essere collocati all'interno di un paziente vivente. La tecnologia indossabile è qualsiasi tipo di apparecchiatura elettronica destinata ad essere indossata o trasportata dall'utente del dispositivo. I sensori già presenti nell'ambiente vengono utilizzati dai sistemi integrati nell'ambiente. La misurazione della posizione del corpo, la localizzazione degli individui e il monitoraggio completo dei pazienti malati a casa e negli ospedali sono tutti potenziali usi di questa tecnologia. I dati raccolti da una rete di telecamere di profondità, da un pavimento di rilevamento o da altri dispositivi funzionalmente equivalenti vengono utilizzati come input dai dispositivi impiantati nell'ambiente. Questi dispositivi monitorano lo stato fisiologico di una persona al fine di fornire una diagnostica continua della salute. Le informazioni sulla salute di una persona, sulla forma fisica e sulla quantità di energia spesa possono essere raccolte tramite reti corporee.
A partire dal dispiegamento di Great Duck Island, le reti di sensori wireless sono state utilizzate per monitorare un'ampia varietà di animali ed ecosistemi. Queste specie e habitat includono marmotte, rospi delle canne in Australia e zebre in Kenya.
Diverse sono le applicazioni nel campo del monitoraggio dei parametri ambientali; Di seguito sono riportati alcuni esempi di queste applicazioni. Tutti si trovano ad affrontare le difficoltà aggiuntive di un ambiente severo e di un'alimentazione limitata.
Gli esperimenti hanno dimostrato che l'esposizione di un individuo all'inquinamento atmosferico nelle aree urbane può variare notevolmente da una persona all'altra.
È possibile identificare l'inizio di un incendio in una foresta installando una rete di nodi sensore in tutta l'area. I nodi hanno la capacità di essere dotati di sensori per misurare la temperatura, l'umidità e i gas creati dagli incendi negli alberi o nelle piante. Il rilevamento precoce è essenziale per una risposta efficace da parte dei vigili del fuoco; Con l'uso di reti di sensori wireless, i vigili del fuoco saranno in grado di determinare quando è stato appiccato un incendio e come si sta diffondendo.
Una rete di sensori wireless viene utilizzata da un sistema di rilevamento delle frane per rilevare i piccoli movimenti del terreno e le variazioni di diversi parametri che possono verificarsi prima o durante una frana. Questi movimenti e cambiamenti possono verificarsi in qualsiasi momento. È probabile che analizzando i dati raccolti, sia possibile prevedere l'insorgenza delle frane con largo anticipo rispetto a quando si verificherebbero realmente.
Il monitoraggio della qualità dell'acqua include l'esecuzione di analisi delle caratteristiche fisiche dell'acqua che si trova nelle riserve idriche sotterranee, nelle dighe, nei fiumi, nei laghi e negli oceani. L'utilizzo di un gran numero di sensori distribuiti in modalità wireless consente di generare una mappa delle condizioni dell'acqua più accurata. Inoltre, apre la strada all'installazione permanente di stazioni di monitoraggio in aree di difficile accesso, eliminando la necessità di un recupero manuale dei dati.
Le reti di sensori wireless hanno il potenziale per essere uno strumento efficiente per mitigare gli effetti distruttivi di catastrofi naturali come le inondazioni. I fiumi, che necessitano di un monitoraggio in tempo reale delle fluttuazioni dei livelli dell'acqua, sono stati dotati di nodi wireless, che sono stati implementati con successo.
Ai fini della manutenzione basata sulle condizioni delle macchine (nota anche come CBM), sono state create reti di sensori wireless perché consentono funzionalità aggiuntive e forniscono una notevole riduzione dei costi.
Con un sistema cablato, potrebbe essere difficile o addirittura impossibile raggiungere alcune aree, come le apparecchiature vorticose e i veicoli non vincolati. Tuttavia, i sensori wireless non hanno questa limitazione.
La raccolta di dati per il monitoraggio delle informazioni ambientali può essere effettuata anche attraverso l'installazione di reti di sensori wireless. Tenere d'occhio cose come la temperatura di un frigorifero o la quantità di acqua in un serbatoio di troppo pieno in una centrale nucleare potrebbe essere considerato un esempio di questo. Dopodiché, si possono utilizzare i dati statistici per dimostrare quanto bene i sistemi abbiano funzionato. La capacità delle WSN di fornire feed di dati "in tempo reale" è uno dei tanti modi in cui eccellono rispetto ai logger tradizionali.
Il monitoraggio della qualità e del livello dell'acqua comprende molte attività come il controllo della qualità delle acque sotterranee o superficiali e la garanzia delle infrastrutture idriche di un paese a beneficio sia dell'uomo che degli animali.
E' possibile utilizzarlo per evitare lo spreco di acqua.
Utilizzando sensori correttamente interfacciati e reti di sensori wireless, è possibile monitorare lo stato delle infrastrutture civili e i processi geofisici associati in tempo quasi reale, nonché per lunghi periodi di tempo tramite la registrazione dei dati.
Le reti di sensori wireless vengono utilizzate sia in vigna che in cantina per monitorare la produzione di vino.
Il Wide Area Tracking System, a volte noto come WATS, è un prototipo di rete progettato per rilevare dispositivi nucleari terrestri. Presso la Direzione per la non proliferazione, il controllo degli armamenti e la sicurezza internazionale (NAI) del Los Alamos National Laboratory (LLNL), uno degli obiettivi principali della ricerca in corso è la creazione di sensori più efficaci.
Durante un'audizione sul terrorismo nucleare e le contromisure che si svolse il 1º ottobre 1997 davanti alla Sottocommissione per la Ricerca e lo Sviluppo Militare della Camera dei Rappresentanti degli Stati Uniti, fu tenuta una presentazione sul WATS.
Ci sono stati studi che suggeriscono che l'uso di sensori per il monitoraggio degli incidenti apporta un miglioramento significativo nel modo in cui i vigili del fuoco e i dipartimenti di polizia reagiscono a eventi imprevisti.
Le caratteristiche più distintive di un WSN sono le seguenti:
Limiti alla quantità di energia che può essere utilizzata dai nodi che si basano sulle batterie o sulla raccolta di energia. Tra i fornitori ci sono nomi come ReVibe Energy.
Capacità di affrontare il guasto dei singoli nodi (resilienza)
C'è un certo movimento nei nodi (per i nodi altamente mobili vedi MWSN)
Eterogeneità dei nodi
Omogeneità dei nodi
Capacità di scalare fino a un'implementazione molto grande
Capacità di trattenere le circostanze gravi imposte dall'ambiente
Facilità d'uso
Ottimizzazione degli strati trasversali Oltre a ciò, ci sono tre problemi principali con il metodo a strati convenzionale:
La tradizionale tecnica a più livelli non consente la condivisione di informazioni tra i vari livelli, il che si traduce in ogni strato privo di tutte le conoscenze necessarie. La strategia a più livelli convenzionale non è in grado di fornire alcuna garanzia che l'intera rete sarà ottimizzata.
La strategia stratificata convenzionale non è...
