SPS 2024 Web

24 SPECIALE SPS ITALIA 2024 sintetizzare gli standard utilizzati più diffusi nelle tabelle qui di seguito (si vedano figura 2 e figura 3). Per esempio, dal punto di vista del range si può notare che l’unico proto- collo apprezzabile, oltre a Lorawan, è Sigfox, che permette di raggiungere distanze superiori a quelle copribili tramite Lorawan con un consumo di potenza molto simile, ma con un data rate molto inferiore, risultante in tempi di trasmissione più lunghi. Oltre alle prestazioni non bisogna trascurare il fatto che una rete Lorawan è più economica e facile da implementare rispetto alla rete Sigfox. Degno di nota sarebbe il protocollo NB-IoT (NarrowBand-IoT), il quale, con consumi poco superiori a LoRa, permette trasmissioni a distanze e data rate molto superiori; tuttavia, questo protocollo utilizza bande licenziate e richiederebbe l’appoggio a una rete telefonica esistente. Architettura di un nodo sensore Per comprendere appieno le potenzialità e i limiti di unaWSN è necessario descrivere almeno genericamente l’architettura del nodo sensore. In una rappresentazione di principio (si veda figura 4) si evidenziano 5 blocchi fun- zionali: trasduttori e attuatori, unità di elaborazione e controllo, memoria e unità di comunicazione. - Trasduttori Il trasduttore è un dispositivo in grado di misurare delle grandezze fisiche o ambientali di diversa natura trasformandole in un segnale elettrico opportuno (operazione di ‘sensing’). Questa terminologia può originare confusione, in quanto il termine ‘sen- sore’ viene comunemente utilizzato sia per l’unità di sensing vera e propria, sia per il sistema embedded (nodo sensore) nel suo complesso. I sensori che si possono trovare oggi in commercio sono numerosissimi e includono trasduttori di temperatura, umidità, intensità luminosa e pres- sione, così come sensori per il rilevamento di fumo, sostanze tossiche, di prossimità ecc. Un sensore è in grado di rivelare e/omisurare grandezze ambientali, senza tuttavia poterle modificare. - Attuatori Un ruolo duale è svolto dagli attuatori, dispositivi in grado di agire sull’ambiente circostante in diversi modi. Esempi di attuatori sono: bracci meccanici, valvole, servo azionamenti,ma anche sirene d’allarme, altoparlanti, luci, videoproiettori, caloriferi ecc. Un nodo sensore può comprendere un numero variabile di trasduttori e attuatori, anche di diversa natura, che possono essere combinati e utilizzati nei modi più disparati. L’equipaggiamento del nodo sensore ne determina le funzio- nalità, ma anche il costo, il consumo energetico e l’ingombro. - Unità di elaborazione e controllo L’unità di elaborazione contiene unmicroprocessore (CPU), che fornisce l’intelligenza necessaria al dispositivo per operare in modo autonomo. Il ruolo della CPU può essere svolto da diverse tipologie di circuiti logici; comunemente la scelta ricade su unmicrocontrollore a basso consumo, ma è possibile impiegare anche un Fpga (Field Programmable Gate Ar- ray), un DSP (Digital Signal Processing) o un Asic (Application Specific Integrated Circuit), anche a supporto del microprocessore per diminu- irne il carico di calcolo. Oltre al microprocessore, l’unità di elaborazione contiene un convertitore analogico-digitale (ADC), utilizzato per tradurre i segnali elettrici gene- rati dai trasduttori in forma digitale in modo da consentirne l’elabora- zione software.Analogamente, è spesso presente un’unità duale, ovvero un convertitore digitale-analogico (DAC), che trasforma segnali digitali generati dal microprocessore in segnali elettrici analogici utilizzati per pilotare gli attuatori. - Memoria Il microprocessore è spesso integrato con alcuni blocchi di memoria ROM (Read Only Memory) e RAM (Random Access Memory), utilizzati per ospitare il codice eseguibile del sistema operativo e dell’applicazione, nonché i dati acquisiti dai sensori ed elaborati dall’applicazione. In realtà, la ROM è spesso programmabile e fisicamente realizzata con memoria di tipo flash, in modo che il sistema operativo e il software in esecuzione sul nodo siano modificabili. La gestione e l’utilizzo dellememorie è una fonte di consumo energetico; pertanto, i blocchi di memoria integrati hanno capacità ridotte, limitate a poche decine di kbyte. Alcune piattaforme, tuttavia, possono essere dotate di memorie flash aggiuntive, connesse al microprocessore per mezzo di interfacce di tipo seriale. Chiaramente l’utilizzo delle memorie aggiuntive aumenta la potenzialità del nodo,ma influisce negativamente sui consumi energetici. - Unità di comunicazione La comunicazione tra nodi sensori si realizza tipicamente per mezzo di segnali radio, anche se per alcune applicazioni sono possibili soluzioni alternative che impiegano comunicazioni ottiche o ultrasuoni, come nel caso delle reti di sensori subacquee. Solitamente, tra tutti i componenti del nodo la parte radio rappresenta il dispositivo che consuma la mag- gior parte dell’energia. Per ridurre il costo e il consumo energetico dei nodi si utilizzano tipicamente modulazioni ben consolidate e di bassa complessità, a discapito della capacità trasmissiva, che è spesso limi- tata a qualche decina di kbps. Per limitare ulteriormente il costo finale del dispositivo, la modulazione radio avviene normalmente nelle bande comprese tra gli 868-870 MHz o nelle bande ISM (Industrial Scientific Medical) attorno ai 900MHz, e con maggiore diffusione oggi ai 2,4 GHz, per le quali non è richiesta licenza governativa. Il software Oltre all’hardware, la piattaforma deve ospitare il software necessario a gestire la comunicazione tra i diversi nodi (protocollo) e il dato dell’appli- Fig. 3 - Confronto delle prestazioni (consumo-distanza) di diversi protocolli wireless Fig. 4 - Schema hardware a blocchi di un generico nodo sensore