Lo sviluppo della tecnologia wireless negli ultimi anni ha aperto interessanti prospettive in ogni campo di applicazione. Nell'ambito della sensoristica, in particolare, uno dei concetti in rapida è affermazione è quello di mote, abbreviazione per "remote node", termine con il quale si intende indicare un sensore con connettività wireless in grado di collegarsi ad una rete distribuita. Diversi sono i vantaggi derivanti dall'utilizzo della tecnologia wireless in questo settore. L'assenza, innanzitutto, di connessioni cablate consente di installare i sensori in luoghi altrimenti non accessibili; i costi di installazione e manutenzione sono significativamente ridotti. La connessione in rete consente di creare strutture ridondate, in grado di configurarsi o ripararsi autonomamente garantendo maggiore affidabilità. La possibilità, inoltre, di avere una connessione costante con il sensore remoto consente di accedere in tempo reale ai dati senza dover attendere l'intervento di un operatore di campo che li prelevi dalla memoria interna del dispositivo, come invece accade nelle applicazioni più tradizionali. Nel caso di applicazioni di monitoraggio ambientale o di siti, o nei sistemi di sicurezza e sorveglianza, questo consente di definire una strategia di allarmi e notifiche in tempo reale. I dati possono inoltre essere resi disponibili a più utenti contemporaneamente per l'elaborazione e l'analisi. Lo stato del sensore stesso, del resto, può essere costantemente monitorato garantendo la possibilità di intervenire alla sua manutenzione nel caso di malfunzionamento in maniera tempestiva e non, piuttosto, al termine della campagna di raccolta dati. La connettività remota e in tempo reale, inoltre, permette di essere presenti sul campo ma in maniera non intrusiva; tale aspetto può talvolta essere di fondamentale importanza ad esempio nelle applicazioni di monitoraggio di ecosistemi biologici.
A fronte dei numerosi vantaggi, tuttavia, la realizzazione di reti di sensori wireless pone dei problemi di natura tecnologica che vanno dalla miniaturizzazione dell'elettronica alla definizione di robusti protocolli di comunicazione, alla protezione dei dati in applicazioni sensibili; non ultimo, la necessità di alimentare a batteria i sistemi, richiede la definizione di strategie di gestione della potenza che assicurino quel risparmio energetico necessario a garantire elevata autonomia (fino anche a 20 anni).
Di seguito sono presentate alcune delle più interessanti soluzioni attualmente rese disponibili sul mercato; uno sguardo particolare è rivolto al settore aerospaziale, dove l'utilizzo di sensori wireless potrebbe consentire di risolvere non pochi problemi di affidabilità, prestazioni e manutenzione.
Invocon: sensori wireless per applicazioni in ambienti ostili
Fondata nel 1986 con sede a Conroe nel Texas, Invocon è oggi la principale azienda produttrice di sensori wireless per applicazioni in ambienti ostili, nel settore aerospaziale, della difesa o in ambito industriale. Sviluppa apparecchiature per analisi strutturale, test di veicoli, difesa missilistica, monitoraggio delle condizioni degli armamenti e degli eserciti.
La prima missione nello spazio è datata settembre 1995 a bordo del Wake Shield Facility - un satellite per esperimenti sulla crescita di film sottili in condizioni di vuoto perfetto - portato in orbita dallo Shuttle STS-69. A bordo del satellite era imbarcato il sistema Wds (Wake Shield Data acquisition System) per la misura della pressione indotta sulla struttura dello spacecraft dai jet del sistema di controllo di reazione dello Shuttle durante le manovre di avvicinamento e abbordaggio; l'obiettivo era raccogliere informazioni per verificare i modelli sui possibili danni indotti alla Stazione Spaziale e alla MIR dalle operazioni in volo della navetta. Dal 1995 ad oggi sono state effettuate 24 missioni; l'ultima è datata giugno 2007 sull'STS-117, dove sono stati imbarcati 44 sensori Ewb MicroTau, 12 sensori MicroSgu e 1 sensore Ewis per rilevare, localizzare e caratterizzare eventuali impatti sulle ali e sui motori della navetta tali da danneggiarne la struttura.
Ad oggi, diversi sistemi sono ancora presenti a bordo della Stazione Spaziale. Uno di questi, denominato Iwis (Internal Wireless Instrument System), serve a raccogliere dati per monitorare la risposta ad impulsi dell'intera struttura allo scopo di verificare l'integrità della stazione e migliorare i modelli, per capire, ad esempio, eventuali modi risonanti durante operazioni di attracco. Iwis dispone di sensori di forza, temperatura ed accelerazione con capacità di campionamento fino a 1 KHz. A bordo del Jem (Japan Experiment Module), il modulo giapponese per condurre esperimenti in condizioni di microgravità, è presente invece l'Mma (Microgravity Measurement Apparatus), uno strumento in grado di rilevare con risoluzione inferiore a 2 µg le vibrazioni della struttura, dovute ad esempio al movimento a bordo degli astronauti, per la misura della gravità residua necessaria alla correzione dei dati sperimentali.
Oltre ai programmi spaziali, Invocon è coinvolta in progetti di ricerca del Dipartimento della Difesa, del Dipartimento dei Trasporti e di alcune Università americane. Nel 2000 ha sviluppato, ad esempio, per conto della US Navy, BodyLan, un sistema distribuito per il rilevamento della frequenza cardiaca e di respiro, ottenuto campionando a 512 Hz mediante sensori di pressione la deflessione della pelle. Per il Federal HighWay Administration ha realizzato, invece, una rete wireless con 60 sensori di accelerazione, tensione, stress superficiale e temperatura distribuiti sul campo per il monitoraggio della struttura di un ponte quando soggetto a sollecitazioni da carichi transienti.
Grazie all'esperienza maturata nei diversi settori, con oltre 30 apparati realizzati con successo in 20 anni circa, Invocon è in grado oggi di offrire soluzioni affidabili e ad elevate prestazioni.
Ewb MicroTau (Enhanced Wide-Band Micro-Miniature Tri-Axial Accelerometer Unit), ad esempio, evoluzione del sistema originario MicroTau, è un sistema di acquisizione, memorizzazione ed elaborazione dati per misure sincronizzate di accelerazioni dinamiche. Il segmento di campo, denominato Ewb MicroTau Remote Unit, è in grado di acquisire tre sensori accelerometrici a frequenze di campionamento fino a 20 KHz e sincronizzazione in tempo (nel caso di reti di sensori) inferiore a 4 µs; integra un sensore di temperatura interno a 1 Hz con risoluzione 0,25 °C. Il sistema è alimentabile a batteria o mediante tensione esterna nel range da 3 a 4 V. In alimentazione a batteria ha un'autonomia compresa tra 50 e 200 ore di acquisizione o triggering; per applicazioni critiche, sono disponibili batterie che garantiscono un'autonomia estesa. Dispone di una capacità di memoria interna di 256 MByte non volatile per la memorizzazione locale dei dati; supporta funzionalità di elaborazione dati, quali analisi Rms dei segnali, analisi in frequenza, decimazione, rilevamento di picco. È in grado di svolgere autonomamente sequenze predefinite dall'utente alternando fasi di sleep, triggering, acquisizione ed elaborazione. Può essere connesso a una stazione remota che utilizzi l'Ewb MicroTau Receiver Unit o, in alternativa, direttamente ad un host locale mediante link Usb. L'interfaccia grafica Ewb MicroTau Gui consente il controllo e la visualizzazione dei dati. L'Ewb MicroTau è stato utilizzato per la prima volta a bordo dello Shuttle Discovery STS-114 lanciato nel luglio 2006. Il sistema comprende 44 sensori utilizzati per monitorare eventuali impatti sui pannelli in carbonio delle ali della navetta che potrebbero creare danni durante la fase di rientro (come durante la sciagurata missione del 2003); 22 sensori di temperatura Rdt sono utilizzati per correggere gli errore della misura legati ai drift termici dell'elettronica. Durante la fase ascensionale il sistema acquisisce i segnali a 20 KHz per 10 minuti; successivamente i dati sono elaborati per fornire indicazioni sommarie; a seguito di queste, è possibile richiedere lo scaricamento di segmenti di dati corrispondenti a intervalli temporali di 0,5 secondi per analisi approfondite.
MicroWis-XG (Micro-Miniature Wireless Instrument System - Next Generation) è una rete di sensori wireless per applicazioni di misura quasi-statiche; ogni elemento rende disponibile un canale di acquisizione ed è in grado di gestire sensori di umidità, pressione, accelerometri, strain gauges e Rtd (Resistive Thermal Devices) o, più in generale, qualsiasi tipo di sensore che utilizzi un elemento resistivo come strumento di misura. Ha dimensioni 3.3 x 3.3 x 1.5 cm3; la frequenza di acquisizione è programmabile tra 1 campione per secondo e 1 per ora. La conversione analogico/digitale è a 24 bit con parametri di filtro e guadagno dello stadio di ingresso programmabili in fabbrica. È integrato un sensore che consente misure di temperatura ambiente con risoluzione 0.25 °C per correggere i dati dei sensori esterni. Il trasmettitore RF assicura una copertura di 30 metri circa; l'autonomia del sistema è 6 mesi in acquisizione ad 1 campione al minuto. I dati della rete possono raccolti mediante Pc remoto connesso all'unità di ricezione wireless. Il software di controllo consente la decodifica della informazioni, la segnatura in tempo di queste, la memorizzazione su disco rigido o la visualizzazione in grafici od in formato tabulare; è possibile configurare i coefficienti di calibrazione per una conversione accurata dei dati in formato ingegneristico. In alternativa è disponibile un'unità autonoma di campo, denominata MicroWis-AB, connessa wireless alla rete e che consente la memorizzazione locale di fino a 196 mila campioni.
Simile alle caratteristiche del sistema MicroWis-XG sono le prestazioni del modello MiteWis (Multiple-Input Tiny Enhanced Wirelss Instrument System). Ogni elemento di campo integra 4 canali per trasduttori con capacità di eccitazione nel range da 1.2 a 2.5 V. La conversione analogico/digitale è di tipo sigma-delta con risoluzione 16 bit; la frequenza di campionamento è programmabile direttamente mediante il link wireless da 1 campione ogni 15 secondi fino ad 1 ogni ora. Come nelle altre applicazioni viste in precedenza, è utilizzato un sensore di temperatura con risoluzione 0.25°C per la correzione delle misure dagli effetti termici. Il MiteWis integra capacità di trasmissione dati, in tempo reale e off-line, e memorizzazione a bordo su memoria non volatile; la capacità di memoria è 2 MByte, sufficiente ad acquisire i 4 canali per 2 anni ad una frequenza di 1 campione ogni 5 minuti. Il sistema è alimentabile mediante batteria a ioni di litio; il pacco batteria previsto è rimovibile e assicura una autonomia del sistema in condizioni di lavoro di fabbrica (1 campione al minuto) fino a 2 anni. Il sistema è caratterizzato da ridotte dimensioni; l'elettronica è interamente incapsulata in un contenitore metallico, la batteria è sigillata e i connettori sono qualificati per applicazioni in ambienti ostili. L'interfaccia RF è basata su antenna Duck di lunghezza 9 cm operante a 902 MHz con una copertura fino a 60 metri con una dissipazione di potenza inferiore a 1 mW; il rate di trasmissione è 55.6 kbits/s. Il sistema è attualmente utilizzato per il monitoraggio di alcuni ponti in cemento in Olanda. UltraWis (Ultrasonic Wireless Instrument System for Atonomous Leak Detection and Location), infine, è un sistema di rilevamento di perdite in ambienti pressurizzati sviluppato da Invocon per conto della Nasa; l'obiettivo è la realizzazione di tecnologie innovative per il monitoraggio automatico delle strutture atte a ospitare l'uomo nelle future missioni spaziali. Il sistema è in fase sperimentale; è stato realizzato un prototipo concettuale in grado di rilevare le perdite misurando le emissioni acustiche ad esse associate. Primi test hanno consentito di localizzare perdite simulate nella struttura a diverse frequenze - fino a 10 cm3/sec - e fino a una distanza dal punto di localizzazione del sensore di 1 metro circa; la fase successiva del programma dovrebbe condurre alla realizzazione del prototipo con 8 sensori ultrasonici con capacità di campionamento fino a 100 KHz e dimensioni complessive di 5 x 5 x 2.5 cm3.
Accsense: soluzioni flessibili e di facile utilizzo
Accsense è un'azienda giovane, fondata nel 2004 con sede in Santa Barbara, ma già divenuta una interessante realtà nel settore grazie ad una politica di sviluppo che punta ad offrire soluzioni flessibili, piuttosto essenziali ma di facile utilizzo per l'utente finale. Le applicazioni principali includono monitoraggio di strutture ospedaliere, laboratori clinici, di ricerca o farmaceutici, banche del sangue o, più in generale, servizi di ristorazione e sistemi di distribuzione dell'energia. Una generica rete di sensori wireless realizzata da Accsense include pod e gateway. I pod acquisiscono i segnali di campo. Ogni elemento integra fino a 5 sensori interni; alcuni modelli dispongono inoltre di interfacce di I/O per il condizionamento di sensori esterni. Integrano un transceiver RF che consente di trasmettere i dati acquisiti o funzionare come reapeter per realizzare connessioni a ponte verso il gateway che raccoglie i dati della rete. Ogni elemento ha una copertura di 80 metri circa; è possibile quindi configurare fino a 16 pod in una rete mesh. La banda utilizzata per la comunicazione è a 2.4 GHz, la stessa impiegata dai sistemi WiFi. Il protocollo di comunicazione è ZigBee; il duty cycle di trasmissione è di circa 0.001%, che corrisponde a circa 3 ms di trasmissione continua ogni 5 minuti. Nel tempo residuo i trasmettitori radio sono disattivi non provocando effetti di interferenza con altri sistemi nella stessa banda; la stessa potenza di trasmissione è bassa : 0,79 mW (contro i 100-200 mW di un sistema WiFi). Il protocollo di comunicazione è piuttosto robusto utilizzando un meccanismo di Cca (Clear Channel Assessment): ogni elemento verifica che la frequenza su cui trasmettere sia libera prima di iniziare l'invio di dati; è previsto un semplice meccanismo di retry in caso di errore nella comunicazione.
Il gateway raccoglie, come detto, le informazioni della rete; può essere connesso mediante Ethernet ad un server locale proprietario dell'utente sul quale i dati sono scaricati in semplice formato Csv (Comma Separated Values) o ad un server remoto gestito da Accsense. In questo caso viene utilizzata una connessione protetta. Sul server Accsense sono quindi disponibili per l'utente due diversi tipi di account. La versione Standard, inclusa gratuitamente nella fornitura di sensori e gateway, consente la visualizzazione via rete dei dati acquisiti in formato tabulare e la memorizzazione di questi sul server remoto fino a 90 giorni. La versione Premium, a pagamento, aggiunge il mantenimento dei dati a tempo indefinito sul server, funzionalità di visualizzazione sotto forma di grafici dell'andamento dei dati acquisiti nei precedenti 90 giorni, la possibilità di definire condizioni di allarmi e notifiche in tempo reale.
La soluzione offerta da Accsense include diversi tipi di pod per misure di temperatura, umidità, vibrazione, luce ambientale, livelli acustici. Le dimensioni fisiche dei pod sono tipicamente 8,9 x 8,3 x 5,1 cm3. Richiedono alimentazione DC nel range da 4 a 7 V; possono essere facilmente alimentati mediante 3 batterie di tipo AA assicurando una autonomia di 6 mesi ad una frequenza di campionamento di 1 campione ogni 5 minuti.
I pod di tipo generico, come il modello A1-01a, ad esempio, integrano:
- un sensore di temperatura con accuratezza 1.4% del fondo-scala e risoluzione dell'ordine di 0.1 °C;
- un sensore di umidità relativa nel range 5-95% RH con accuratezza ±3 RH;
- un sensore per misure di vibrazioni, con un fondo scala di 2g nella misura della accelerazione massima sui tre assi ed una risoluzione di 0.06g;
- un sensore di livello acustico nel range 0-100% con risoluzione 0.1%;
- un sensore di luce visibile nel range logaritmico 0-64000 Lux con risoluzione di 20 punti per decade.
- Dispongono inoltre delle seguenti interfacce esterne:
- canale di acquisizione per sensori in corrente da 4 a 20 mA con risoluzione 0.02 mA, accuratezza 0.29% FS, tensione di alimentazione sul loop 20 V ± 0.6 V;
- canale di acquisizione per sensori in tensione del tipo [5;10] V con risoluzione 4.8 mV, accuratezza 0.28% FS, massima corrente 25 mA, settling time 64 ms;
- 2 ingressi digitali per contatti, contatori o timer.
L'intervallo di campionamento è configurabile tra 30 s e 24 ore. È presente a bordo una memoria non volatile in grado di memorizzare fino a 256 campioni.
Recentemente sono stati introdotti nuovi modelli. Gli elementi delle serie A1-08, A1-09 Multi-Analog e A1-10 Multi 4-20MA sono in grado di acquisire fino a 6 termistori esterni, due ingressi digitali ed un canale di misura della temperatura interna per la correzione dei dati. Oltre ai prodotti descritti, Accsense produce sensori esterni collegabili ai propri Pod (come Rtd, termistori e termocoppie di tipo T) e kit completi per applicazioni in ambito medicale o di laboratorio. Questi ultimi includono pod, sensori esterni, hardware di installazione, batterie e adattatori di rete AC/DC, ed eventualmente un gateway con relativo account sul server remoto. Sono disponibili diverse linee di accessori come clip di montaggio, adattatori di guida Din, alimentatori, pacchi batteria per autonomie estese (fino a 8 volte quella ottenuta con normali pile AA), antenne omni-direzionali di tipo rubber-duck per connettività estesa.
Accutech: il wireless per applicazioni industriali
Accutech è la divisione di Adaptive Instrument che si occupa dello sviluppo di strumentazione wireless per applicazioni industriali; annovera tra i maggiori clienti le principali società internazionali del settore della distribuzione di materie prime ed energia, industrie farmaceutiche e di generi alimentari. I sistemi sono progettati per operare in ambienti potenzialmente ostili, per il monitoraggio a lungo termine di parametri ambientali in locazioni remote o per la scambio sul breve periodo delle informazioni sui processi e sul loro controllo. L'azienda ha recentemente ha annunciato il lancio della terza generazione di piattaforma wireless per applicazioni industriali denominata Wistar-R. Come negli esempi visti in precedenza, i sistemi sviluppati da Accutech comprendono il segmento di campo, la stazione radio e un manager della strumentazione wireless. Il segmento di campo include sensori di temperatura, pressione, acustici o di tipo generico a più ingressi. Ogni sensore comprende l'unità di acquisizione integrata, la sezione RF, il modulo di potenza ed un display che consente di visualizzare i dati del processo acquisito, eventuali informazioni diagnostiche quali potenza del segnale radio, errori di comunicazione, tempo di vita residuo della batteria. Un'area dedicata realizzata con switch a membrana consente di modificare localmente i parametri di configurazione; è previsto un meccanismo di autenticazione di accesso basato su password. Nella Figura è mostrata, ad esempio, l'unità di campo per acquisizione di Rtd per misure di temperatura nelle versioni con sensore integrato (-I) o esterno (-S). La frequenza di acquisizione è configurabile tra 1 campione al secondo ed 1 al minuto. L'elettronica di acquisizione ha capacità di linearizzazione fino a 0.05 °C con linearizzazione mediante curve a 22 punti definite dall'utente; l'accuratezza della misura è ±0.1% FS, con deviazione dello ±0.002% per variazione di grado centigrado della temperatura ambiente. L'alimentazione è mediante batteria sostituibile di tipo C a litio con tensione di uscita 3.6 V, che consente una autonomia fino a 20 anni nelle condizioni di lavoro di fabbrica. L'unità di campo per sensori generici, invece, rende disponibili due canali di acquisizione. Sono disponibili configurazioni in corrente da 4 a 20 mA e in tensione da 0 a 10 V o da 0 a 1 V; l'accuratezza della misura è 0.1% FS, l'effetto della temperatura ambiente 0.01% per grado centigrado. Sono configurabili la frequenza di scansione per il monitoraggio locale (i dati sono riportati sul display) e quella di trasmissione alla stazione radio di raccolta; il numero di campioni può variare tra 1 al secondo e 1 al minuto.
La sezione RF, comune per tutti i sensori, utilizza un'antenna omnidirezionale in grado di coprire tipicamente fino a 900 metri circa (sulla linea dell'orizzonte in condizioni di perfetta visibilità) sebbene siano disponibili soluzioni che permettano di trasmettere e ricevere su distanze maggiori. Lo spettro di comunicazione è esteso su diverse frequenze; trasmettitore e ricevitore, in particolare, sono progettati in modo da saltare da una frequenza all'altra nella banda disponibile tra 902 e 928 MHz mentre la comunicazione continua.
Un approccio simile è già stato usato in passato in sistemi militari come mezzo per migliorare la sicurezza della comunicazione, evitando, ad esempio, che eccessivo rumore presente ad una certa frequenza possa preclude lo stabilirsi della connessione. Il data-rate è ottimizzato in modo da consentire la maggiore energia per bit rispetto a quelle che sono le esigenze in termini di quantità di dati da trasferire. Il protocollo di comunicazione prevede un meccanismo di acknowledge; tutti i messaggi richiedono matching di più bit di informazione riguardo alla frequenza di sincronizzazione, alla identificazione del dispositivo ed alla sua locazione prima che la comunicazione sia considerata valida. Tutti i dispositivi, inoltre, comunicano tra loro su base regolare in modo da stabilire una sorta di battito della rete che consente di verificarne il corretto funzionamento; in caso di diversità nel battito viene avvertita la stazione radio base. Tale stazione consente la connessione in rete di fino a 100 unità di campo; fino a 16 stazioni possono quindi essere connesse in rete a loro volta. La stazione è alimentata a 24 Vdc con un consumo di 2 A; in alternativa è disponibile una adapter per alimentazione da rete 120/240 Vac. Il contenitore è esternamente smaltato a forno resistente ad esplosione, acqua e corrosione per applicazioni in ambienti ostili. Presenta interfaccia di comunicazione RS-485 - con possibilità di conversione verso RS-232, Usb o Ethernet - per la connessione diretta ad un PC locale, un server remoto o al Wireless Instrument Manager di Accutech. Il modello WI-BR-I-XP-MOD supporta il protocollo seriale ModBus come RTU su linea RS-485, compatibile con la maggior parte dei package di applicazioni HMI. In alternativa la stazione radio può essere connessa su una rete locale RS-485 con protocollo daisy-chained; sulla stessa rete possono essere installati dispositivi addizionali, come gli Analog Output Modules, unità di acquisizione installabili su guida Din che rendono disponibili fino a 8 canali di tipo da 4 a 20 mA. Il Wireless Instrument Manager, infine, è il software di gestione della rete di sensori wireless. È distribuito gratuitamente e si basa su una struttura client-server in ambiente Windows con la possibilità di rendere così disponibili diverse postazioni utente operative contemporaneamente ed attraverso cui monitorare i dati. Consente l'analisi dei fault e della prestazioni della rete, oltre alla gestione della configurazione dei parametri dei sensori e delle unità presenti; i dati acquisiti possono essere esportati verso i più diffusi data-base come Oracle, SQL o Excel per l'elaborazione off-line.
Crossbow Technologies: elevata capacità di elaborazioni dati locale
Crossbow è una azienda nata nel 1995 con sede principale a San Jose in California e uffici di progettazione e vendita in Cina, Giappone e Svizzera; 24 distributori sono sparsi in tutto il mondo. Nel 2007 ha ottenuto il "Best of Sensors Expo" Bronze Awards per la nuova piattaforma di sensori wireless Imote2 per applicazioni che richiedano elevata capacità di elaborazioni dati locale. È uno dei partecipanti attivi del gruppo che collabora alla definizione dello standard Wireless Hart per sistemi in ambito industriale. Realizza soluzioni wireless per applicazioni di building automation, monitoraggio ambientale, gestione di disponibilità di magazzino; collabora inoltre a diversi programmi accademici nell'ambito delle reti di sensori. Le soluzioni Crossbow per reti di sensori wireless includono piattaforme hardware e software. Dal punto di vista hardware, le unità di campo consistono di un modulo wireless e di una scheda sensore. Integrano ognuna un processore radio che supporta trasmissioni nella banda domestica ed internazionale a 433 MHz, 868-915 MHz e 2,4 GHz con la possibilità di utilizzare diversi canali all'interno della stessa banda sotto controllo del software; sono supportate modulazioni a due toni di tipo FSK e DSSS a 2.4 GHz per la compatibilità con applicazioni standard quali ZigBee. Tutti i link sono bi-direzionali; i nodi funzionano inoltre da repeater e possono essere connessi quindi in reti con topologia flessibile che include, a seconda delle applicazioni, configurazioni di tipo mesh, a stella od ibride. Si riesce in questo modo a coprire distanze su raggi di 100 metri con basse potenze di trasmissione che consentono di avere una autonomia in alimentazione a batteria di fino a 5 anni; sono del resto previsti diversi livelli di potenza in trasmissione e modalità di tipo power saving. Oltre alla connettività wireless, i nodi rendono disponibili funzionalità di elaborazione dati e memorizzazione locale.
La scheda MPR2400CA della piattaforma MICAz, ad esempio, è basata su microcontrollore Atmel ATMega 128L e transceiver radio TI CC240 per trasmissioni a 250 kbps nella banda a 2.4 GHz. Presenta 8 canali di ingresso di conversione A/D a 10-bit per il campionamento dei segnali; include memoria flash di 512 kByte che consente di memorizzare localmente oltre 100 mila campioni di misura. La dissipazione di potenza è inferiore a 50 mA in modalità operativa in campionamento e comunicazione wireless attiva; si riduce a meno di 50 uA in sleep-mode. L'alimentazione è a batteria mediante due pile di tipo AA oppure esterna a 2.7-3.3 V. Un connettore di espansione a 51 pin consente l'inserzione di schede per sensori. Ne esistono di diversi tipi. La scheda MDA100, ad esempio, integra un termistore di precisione ed un sensore di luce basato su fotocellula, oltre a prevedere un'aerea di prototyping per applicazioni custom; l'MTS310, invece, include un sensore accelerometrico a due assi, un magnetometro a due assi, sensori di temperatura, acustici e di luce con possibilità di alimentazione separata per ogni canale.
L'MTS420, infine, sviluppata in collaborazione con UC Berkeley e Intel Labs e interamente basata sulle ultime generazioni di sensori integrati a montaggio superficiale, dispone dei seguenti canali di acquisizione integrati:
- temperatura ed umidità relativa, con accuratezza 0.03% RH nel range 0-100% e basato sul sensore Sensirion SHT11;
- pressione barometrica, con risoluzione 0.01 mbar nel range da 300 a 1100 mbar e basato sul sensore MS5534AM di Interseca;
- luce ambientale, basato sul TSL2550D di Taos che offre una risposta spettrale nel range da 400 a 1000 nm simile all'occhio umano;
- accelerazione, mediante il chipset ADXL202JE di Analog Devices che consente misure su due assi nel range 0-2 g con risoluzione 2 mg a 60 Hz.
Include inoltre un modulo Gps opzionale, basato sull'U-blox LEA-4A con 16 canali di tracking, accuratezza della posizione 10 m e tempo di riacquisizione inferiore a 1 secondo.
La più recente piattaforma Imote2 si basa, invece, sulla scheda IPR2400 che utilizza il processore Marvell PXA271 in grado di funzionare a frequenze da 13 a 416 MHz dinamicamente selezionabili, in modo da consentire diverse modalità operative con diversi consumi e prestazioni. Il transceiver radio è lo stesso utilizzato nella MPR2400CA; è prevista una antenna integrata che assicura una copertura fino a 30 metri e un connettore Sma per la connessione di un'antenna esterna per trasmissione su distanze più estese. L'alimentazione può essere a batteria (3 pile di tipo AAA) oppure da porta Usb; è previsto uno slot per la connessione di un pacco batteria custom realizzato con pile a ioni di litio. La scheda integra per questo anche una sezione carica batteria che deriva la potenza dalla porta Usb.
La scheda di acquisizione ITS400 integra:
- un accelerometro a 3 assi della serie ST Micro LIS02DQ per misure nel range ±2g con risoluzione 12-bit;
- un sensore Sensirion SHT15 a 2 canali per misure di temperatura (digitalizzazione a 14 bit, range di misura tra 0 e 40 °C con risoluzione ±0.5 °C o da -40 a +120 °C con risoluzione ±2 °C) e umidità (risoluzione ±2% RH nel range da 10 a 90% o 4% tra 0 e 100%);
- un sensore di temperatura TI TMP175 con interfaccia digitale I2C per misure nel range da -25 a +85 °C con risoluzione ±1.5 °C;
- un sensore di luce TAO TLS 2651 a due canali nel visibile e nell'infrarosso
- quattro canali di acquisizione ADC da 0 a 3 V con capacità di digitalizzazione a 12 bit per sensori esterni.
Dal punto di vista software, la piattaforma per la gestione delle rete wireless è denominata MoteWorks; disponibile gratuitamente per scopi accademici, di ricerca, di valutazione od in generale no-profit include una serie di utility ed applicativi ai diversi livelli. Xradio, ad esempio, è il protocollo di comunicazione sviluppato per applicazioni a bassa dissipazione di potenza; XJoin è l'utility che gestisce la configurazione della rete con supporto per capacità di autenticazione; Xmesh è lo stack per la creazione di reti di tipo mesh; XServe fornisce le utility per data logging, parsing, conversione di dati e definizione di allarmi; MoteView è l'interfaccia per la visualizzazione e l'analisi delle informazioni; XOtap consente la riprogrammazione via wireless del firmware dei nodi. Oltre alle soluzioni descritte che consentono di realizzare reti custom, Crossbow rende disponibili sistemi di monitoraggio wireless chiavi in mano. MEP-SYS410CA, ad esempio, è un sistema di monitoraggio ambientale di micro-climi con misure di temperatura, umidità, radiazione solare fotosintetica e pressione barometrica; può essere utilizzato per reti di sensori indoor, apparecchiature diagnostiche o monitoraggio di siti agricoli. La configurazione base include 2 schede MEP410CB che integrano sensori multi-modo, 2 schede MEP510CB per misure di temperatura ed umidità, il gateway MBR410 ed un pacchetto software con MoteView e software di analisi dati; il sistema è già configurato con XMesh.
