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22 SPECIALE SPS ITALIA 2024 Le Wireless Sensor Network Negli ultimi anni le tecnologie di rete wireless hanno svolto un ruolo fonda- mentale nello sviluppo di una vasta gamma di applicazioni aventi la neces- sità di rendere facilmente condivisibile l’informazione. Infatti, le tecnologie cablate permettono di creare reti con una specifica topologia e richiedono, dunque, un notevole lavoro per la loro installazione. Al contrario, le tecno- logie wireless permettono di creare reti ad hoc a basso costo, anche grazie al modesto lavoro di installazione necessario, garantendo una buona sca- labilità del sistema e una facile riconfigurazione. Queste ottime caratteristiche hanno facilitato lo sviluppo di svariate ap- plicazioni le quali, grazie all’utilizzo di dispositivi in grado di interagire con l’ambiente circostante e controllabili quasi direttamente dall’utente, pas- sano dall’automazione di sistemi industriali e domestici al monitoraggio ambientale, fino a sistemi di sicurezza e alle applicazioni medicali. Cosa sono le WSN Una rete di sensori wireless (WSN - Wireless Sensor Network) consiste in una rete formata da dispositivi, normalmente con ridotta complessità e grandezza, chiamati ‘nodi sensori’, che possono raccogliere informazioni dall’ambiente circostante e comunicarle attraverso vari mezzi trasmissivi verso altri nodi, i quali possono servirsene localmente oppure trasmetterle a loro volta, attraverso l’utilizzo di un gateway, verso altre reti (tipicamente Internet). Il sensore è dunque il più semplice dispositivo del network e di numero notevolmente maggiore rispetto al numero dei restanti dispositivi presenti nella rete. Risulta quindi di fondamentale importanza contenerne l’estensione e soprattutto il costo. Un ulteriore fattore da considerare relativamente al sensore è il consumo di energia, in quanto spesso questi dispositivi sono alimentati da batterie. Al fine di consentire alla rete di operare per un tempo ragionevole, dunque, i nodi sensori devono essere in grado di sfruttare adeguatamente l’energia fornita dalle batterie per un periodo sufficiente, ovvero inmolte applicazioni dell’ordine di anni. Anche il consumo di energia rappresenta perciò un fattore di merito impor- tante nella progettazione di tali dispositivi, il quale può essere raggiunto uti- lizzando tecniche energeticamente efficienti, sia nella fase di trasmissione, sia in quella di elaborazione dell’informazione, come per esempio la coope- razione tra i nodi nella consegna dell’informazione al nodo coordinatore, o ‘base station’ (si veda figura 1). Tale cooperazione dipenderà dalla densità di sensori presenti in una de- terminata area, dalla raggiungibilità dei nodi di rete e dalla copertura radio dello spazio monitorato. Il fattore ‘energia’ Nonostante l’ottimizzazione nella gestione dell’alimentazione abbia per- messo ai sistemi di funzionare più a lungo, l’energy harvesting fornisce una risorsa complementare. Con energy harvesting si intende una tecno- logia usata per alimentare nodi di sensori wireless, convertendo l’energia presente nell’ambiente in energia elettrica. Le fonti di energia ambientale includono luce solare, differenze di temperatura, vibrazioni meccaniche, onde di RF, o qualsiasi fonte che possa produrre una carica elettrica grazie a un fenomeno fisico e per mezzo di un trasduttore. Un generatore termoelettrico (TEG - Thermoelectric Generator) lavora con una differenza di temperatura: il TEG produce energia sfruttando le condizioni ambientali (effetto Peltier); collegato a una fonte di calore, come per esempio i condotti Hvac, converte piccole differenze di temperatura in energia elettrica. Un elemento piezoelettrico per le vibrazioni, una cella fotovoltaica per la luce solare (o l’illuminazione interna), la produzione di energia galvanica attraverso l’umidità: sono tutti esempi di fonti di energia‘free’, che possono essere utilizzate per alimentare autonomamente componenti e sistemi elettronici. I nodi di sensori wireless oggi sono in grado di funzionare con potenze dell’ordine di decine/centinaia di µW, il che ne rende possibile l’alimenta- zione da fonti non tradizionali. Grazie ai bassi costi di installazione, alla buona scalabilità e alla facile riconfigurazione, le tecnologie wireless svolgono un ruolo di primo piano nello sviluppo di una vasta gamma di applicazioni anche nell’industria STEFANO MAGGI Comitato tecnico di Automazione Oggi, Fieldbus&Networks e Soluzioni Software per l’Industria Fig. 1 - Esempio di struttura di una rete WSN