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NOVEMBRE 2023 FIELDBUS & NETWORKS 45 Fieldbus & Networks Tale cooperazione dipenderà dalla densità di sen- sori presenti in una determinata area, dalla rag- giungibilità dei nodi di rete e dalla copertura radio dello spazio monitorato. Il fattore ‘energia’ Nonostante l’ottimizzazione nella gestione dell’ali- mentazione abbia permesso ai sistemi di funzionare più a lungo, l’energy harvesting fornisce una risorsa complementare. Con energy harvesting si intende una tecnologia usata per alimentare nodi di sensori wireless, convertendo l’energia presente nell’am- biente in energia elettrica. Le fonti di energia ambien- tale 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 tempera- tura: 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 attra- verso 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 fun- zionare con potenze dell’ordine di decine/centinaia di µW, il che ne rende possibile l’alimentazione da fonti non tradizionali. Obiettivi, requisiti e capacità delle reti di sensori Le reti di sensori si differenziano dalle altre tipolo- gie di rete per obiettivi, requisiti e capacità. Da quanto evidenziato in precedenza, possiamo dedurre le caratteristiche desiderabili di una rete di sensori: − scalabilità rispetto al numero di nodi della rete; − auto-organizzazione; − riconfigurazione autonoma; − efficienza energetica; − ridotta manutenzione; − bassa complessità; − basso costo. Le capacità e le qualità delle trasmissioni tra i sensori di una rete wireless sono però fortemente vincolate alle condizioni ambientali in cui operano. Infatti, tali ambienti, nella maggior parte dei casi, non possono essere considerati ‘statici’, in quanto in essi sono presenti, per esempio, ostacoli (muri, dispositivi, strutture metalliche, persone...) e campi magnetici variabili (cellulari, interferenze elettro- magnetiche, motori...) che interferiscono con i se- gnali radio trasmessi dai singoli nodi. In particolare, i fattori che condizionano in modo significativo la qualità delle trasmissioni possono essere: − distanza tra i nodi; − ostacoli presenti; − potenza di trasmissione; − disturbi elettromagnetici; − alimentazione fornita; − diversità di architettura dell’hardware; − variazioni climatiche. Per le WSN alcuni parametri, quali per esempio l’LQI (Link Quality Indicator) e l’Rssi (Received Si- gnal Strength Indicator), acquistano una notevole importanza qualora vengano utilizzati come indici di grandezze in algoritmi complessi. L’Rssi, per esem- pio, varia in funzione della distanza, quindi può di- ventare un ottimo alleato nei campi del tracking e della localizzazione, dove sono proprio le distanze, fisse o variabili, fra i nodi a farla da padrone. Essendo direttamente correlati alla qualità della trasmissione, tali parametri sono soggetti, per i motivi citati, a variazioni e condizionamenti esterni indesiderati, che in molte occasioni li rendono inaffidabili. Risulta quindi evidente la necessità di studiare un modo per calibrare questi indici istante per istante fra un nodo e l’altro di una WSN, cer- cando di escludere le variazioni a cui sono soggetti per interazioni esterne e di avvicinarsi sempre più a un valore ideale privo di disturbi. A livello generale, ampliando il discorso ai proto- colli wireless, è possibile 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 protocollo apprezzabile, oltre a Lorawan, è Sigfox, che permette di raggiungere di- stanze 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 (Narrow Band-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 una WSN è necessario descrivere al- meno genericamente l’architettura del nodo sensore. In una rappresentazione di princi- pio (si veda figura 4) si evidenziano 5 blocchi funzionali: trasduttori e attuatori, unità di ela- borazione e controllo, memoria e unità di co- municazione. − Trasduttori Il trasduttore è un dispositivo in grado di mi- surare delle grandezze fisiche o ambientali di Fig.2 - Tipici consumi, range operativi e velocità di vari protocolli wireless