MAGGIO 2013
FIELDBUS & NETWORKS
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Fieldbus & Networks
banda, situazione frequente nella banda da 2,4 GHz condivisa da
WiFi, Bluetooth e 802.15.4. Un altro fenomeno imprevedibile è il mul-
tipath fading che può impedire la trasmissione anche quando si pensa
che il margine di collegamento line-of-sight sia sufficiente. Questo
fenomeno si verifica quando più copie della trasmissione rimbalzano
da oggetti presenti nell’ambiente (soffitti, porte, persone ecc.) e ogni
copia riflessa viaggia su una distanza diversa. Con un’interferenza de-
leteria, attenuazioni di 20-30 dB sono consuete. Il multipath fading di-
pende dalla frequenza di trasmissione, dalla posizione del dispositivo
e da qualsiasi oggetto presente nell’ambiente; prevederlo è pratica-
mente impossibile. Nella figura 2 si vede il PDR (Packet Delivery Ratio)
su un singolo percorso wireless tra due sensori industriali nell’arco
di 26 giorni e per ognuno dei sedici canali utilizzati dal sistema. In
certi momenti alcuni canali sono buoni (alta consegna), altri scadenti
e altri ancora molto variabili. La cosa importante è che non c’è stato
un periodo in cui un canale era buono su tutti i canali di tutta la rete.
Per tutti questi motivi è fondamentale che le WSN utilizzino più
canali. Sincronizzando e programmando la rete in slot, è possibile
programmare con precisione le trasmissioni su specifici canali co-
nosciuti e la scelta del canale può cambiare ad ogni trasmissione.
Inoltre, programmando le trasmissioni di rete, si risolve il ‘problema
del terminale nascosto’ e praticamente si elimina qualsiasi collisione
all’interno della rete. Questo tipo di meccanismo è stato testato nelle
oltre 10.000 reti WirelessHart che normalmente raggiungono una du-
rata pluriennale delle batterie e un’affidabilità maggiore del 99,9%.
Recupero energetico e illuminazione
Una volta ridotto al minimo il consumo di energia della WSN, la
gamma di fonti di alimentazione disponibili si allarga. L’energia am-
bientale è ovunque: luce, vibrazioni e calore sono solo alcuni esempi
di energia che può essere recuperata e convertita in una quantità di
energia elettrica sufficiente ad alimentare una WSN Tsch. I seguenti
esempi descrivono alcune pratiche tecnologie di recupero energetico
in grado di generare più di 150 μW di energia, più che sufficiente a far
funzionare un tipico nodo di indirizzamento IPv6 di una rete 802.15.4e,
ad esempi il prodotto IP SmartMesh di Dust Networks). La maggior
parte delle zone di un tipico edificio adibito a uffici dispone di una
quantità di luce interna sufficiente a far funzionare una WSN Tsch
a basso consumo. Secondo la General Services Administration, che
definisce le norme per gli edifici pubblici statunitensi, nelle zone più
illuminate (es. postazioni di lavoro e zone di lettura) vi è un livello di
illuminamento di 500 lux. Perfino nelle zone considerate ‘normalmente
illuminate’, tra cui locali d’ingresso, trombe delle scale e armadi tec-
nici, il livello di illuminamento è di almeno 200 lux, mentre 300 lux è un
livello normale per la maggior parte delle sale conferenza. Per 200-300
lux di luce sono disponibili molte celle fotovoltaiche (per esempio, il
pannello solare 4100 di G24i o la cella per interno AM-
1815 di Sanyo) in grado di fornire una potenza sufficiente
ad alimentare un router IPv6 di una rete Tsch 802.15.4e.
Energia termica
I generatori termoelettrici (TEG) producono energia
sfruttando la dissipazione di calore prodotta da superfici
calde, ad esempio il calore residuo rilasciato da normali
dispositivi che vengono considerati ‘molto caldi’ (es. mo-
nitor del computer o motori a corrente elevata). Mano a
mano che le soluzioni wireless diventano più efficienti
dal punto di vista energetico, l’energia prodotta da nor-
mali differenze di temperature di appena 10 ºC diventa
utilizzabile come fonte di alimentazione. Ad esempio, la
differenza tipica tra la temperatura corporea interna e la
temperatura ambiente è di circa 15 ºC.
Molti trasduttori a recupero energetico producono
solo poche centinaia di millivolt di potenza, per questo
spesso si usano convertitori DC/DC step-up per ottenere
tensioni di alimentazione utilizzabili. I circuiti integrati
come l’LTC3105 di Linear Technology integrano unMppc
(Maximum Power Point Control) per consentire ai tra-
sduttori di funzionare con la massima efficienza. L’LTC3105 permette
anche di aggiungere una batteria di riserva al circuito. Le batterie di
questi circuiti servono solo quando la fonte di energia ambientale è
insufficiente oppure assente, con conseguente prolungamento della
durata e riduzione dei costi derivanti dalla loro sostituzione. Invece
l’aggiunta di batterie di riserva al circuito con recupero energetico
offre una maggiore sicurezza e continuità di funzionamento quando
la fonte di alimentazione inizia ad essere discontinua (per esempio
quando le luci o i macchinari vengono spenti durante il fine settimana).
Versatile e a basso consumo
La realizzazione della ‘Internet delle cose’ è accelerata dalla possibi-
lità di utilizzare facilmente sensori ovunque. Grazie alle reti di sensori
wireless affidabili e a basso consumo clienti e progettisti hanno la
possibilità di eliminare i cavi e risolvere i problemi. I vantaggi che i
sistemi multicanale time-slotted sincronizzati offrono alle WSN sono
fondamentali per i clienti: affidabilità e funzionamento a basso con-
sumo in tutta la rete. Gli standard WirelessHart e 802.15.4 e rappre-
sentano alla perfezione questo tipo di networking. Il funzionamento a
basso consumo garantisce la massima flessibilità nella scelta della
fonte di alimentazione e offre il potenziale per un’energia perenne.
Tutti questi fattori renderanno più semplice e pratica l’installazione
di sensori ovunque.
Linear Technology
Fig. 2 - Packet Delivery Ratio su 16 canali nell’arco di 26 giorni
