Reti di sensori wireless per l’IoT

La rivoluzione dell’Internet of Things è ormai alle porte; entro il 2020 saranno più di 30 miliardi gli oggetti connessi in tutto il mondo. Con l’aumento della popolazione mondiale e l’incremento del valore delle risorse, questa interconnessione promette di fornire i cosiddetti ‘real-world data’ per migliorare l’efficienza e accelerare le prassi commerciali. Grazie all’ampia diffusione dell’Internet Protocol diventa sempre più facile elaborare i dati e utilizzare le informazioni in modo efficace. Le società Fortune 500 forniscono database aziendali per la memorizzazione dei dati e strumenti software per velocizzare aspetti come l’asset tracking, i sistemi di controllo dei processi e i sistemi di gestione degli edifici. Smartphone e tablet forniscono informazioni utili e immediatamente fruibili riguardanti, ad esempio, i parcheggi o il monitoraggio in tempo reale dello stato delle macchine per programmare la manutenzione. La diffusione dei sensori wireless ha coinciso con un aumento della richiesta di dati da misurare e di processi da ottimizzare che in passato non erano stati presi in considerazione. Per diffondere sempre più l’utilizzo dei sensori si sta lavorando sugli standard IP con l’obiettivo di rendere i piccoli sensori wireless accessibili quanto i web server. Questo impegno prevede la confluenza di due forze trainanti: le comprovate prestazioni ad alta affidabilità e basso consumo delle reti mesh sincronizzate e il costante impegno degli standard IP per ottenere la perfetta integrazione su Internet. Insieme queste due forze gestiranno piccoli sensori a bassa potenza, ‘IP enabled’, in grado di garantire una comunicazione affidabile.

Le sfide delle reti di sensori wireless
La tecnologia wireless è inaffidabile per natura, per questo è importante capire le cause di tale inaffidabilità in modo da poterle gestire nei sistemi di comunicazione. Nelle reti wireless a bassa potenza le cause di inaffidabilità principali sono le interferenze esterne e il multipath fading. L’interferenza si verifica quando un segnale esterno (ad esempio Wi-Fi) impedisce temporaneamente a due radio di comunicare; queste sono così costrette a ripetere la trasmissione, con conseguente aumento dell’energia consumata. Il multipath fading si verifica quando un segnale wireless rimbalza da oggetti vicini al trasmettitore e i diversi echi interferiscono in maniera distruttiva con l’antenna del ricevitore. Questo fenomeno è una funzione della posizione dei dispositivi, della frequenza usata e dell’ambiente circostante. Dato che l’ambiente che circonda un sistema wireless cambia col tempo, qualsiasi canale Rf singolo subisce problemi nel corso della vita operativa di un sistema wireless. Ma il multipath fading dipende dalla frequenza; quindi, mentre subentra un problema su una frequenza, gli altri canali Rf funzionano perfettamente. Considerati gli aspetti interferenza e multipath fading, il segreto per costruire un sistema wireless affidabile consiste nel ricorrere alla diversità di canale e percorso senza sacrificare il funzionamento a bassa potenza. Dust Networks, azienda che fa parte di Linear Technology, ha realizzato un sistema di questo tipo mediante reti mesh ‘channel hopping’ sincronizzate.

Reti mesh channel-hopping sincronizzate
In una rete mesh channel-hopping sincronizzata, tutti i nodi wireless di una rete multi-hop vengono sincronizzati nel giro di poche decine di microsecondi e il tempo viene suddiviso in intervalli. La comunicazione viene orchestrata da un programma che indica a ogni nodo cosa deve fare (trasmissione, ricezione, sleep) in ogni slot. Essendo sincronizzati, i nodi accendono la propria radio solo quando comunicano, ottenendo così una significativa riduzione del proprio duty cycle (normalmente <1%) e un aumento della durata della batteria. Inoltre, dato che il programma è flessibile, la rete è sempre disponibile per l’applicazione, a differenza di altre architetture “dormienti” che spengono completamente la rete per lunghi periodi di tempo. La trasmissione di ogni pacchetto tra due nodi avviene a una frequenza che viene calcolata usando una sequenza di hopping pseudo-casuale. La diversità di frequenza risultante rappresenta un modo efficace per combattere l’interferenza e il multipath fading. Grazie alle reti mesh sincronizzate le batterie possono avere una durata decennale, con un’affidabilità end-to-end elevata (>99.999%).

Successi delle reti mesh sincronizzate
Le reti mesh channel-hopping sincronizzate sono molto diffuse ormai da parecchi anni. Dust Networks ha presentato il suo primo sistema SmartMesh nel 2004, mentre il settore manifatturiero è stato tra i primi ad adottarlo. L’ambiente delle applicazioni industriali è uno dei più difficili, ma è anche il più esigente in termini di integrità dei dati che, una volta garantita, migliora in modo significativo l’efficienza, la produttività e la sicurezza degli stabilimenti industriali. L’installazione di sensori industriali cablati comporta costi elevati, per questo solo una piccolissima parte dei potenziali punti di misurazione di una fabbrica viene dotata degli strumenti necessari. Mentre la domanda di tecnologia wireless è molto elevata nelle applicazioni industriali, i sistemi wireless punto-punto mancano dell’affidabilità necessaria e sono difficili da installare, il che ne limita l’utilizzo in piccole applicazioni isolate. Con l’introduzione delle reti mesh sincronizzate, i sistemi wireless a basso consumo in grado di offrire l’affidabilità normalmente garantita dai sistemi cablati sono diventati una realtà. L’inserimento nello standard industriale Iec62591 (denominato anche WirelessHart) ne ha decretato l’interoperabilità all’interno del settore manifatturiero. La maggior parte dei produttori industriali, tra cui Emerson Process, Siemens, Abb, Endress & Hauser, Pepperl & Fuchs e Phoenix Contact, fornisce prodotti WirelessHart. Oggi le reti SmartMesh sono ampiamente diffuse: 30.000 reti in oltre 120 paesi del mondo contribuiscono a migliorare la sicurezza e l’efficienza di molti siti, tra cui acciaierie e raffinerie, giacimenti petroliferi e piattaforme offshore, stabilimenti per la produzione di bevande e generi alimentari. A parte il settore manifatturiero, i sistemi SmartMesh sono stati implementati con successo nei data center e negli edifici commerciali con l’obiettivo di ottimizzare i costi degli impianti di condizionamento dell’aria. Streetline Networks è un’azienda che fornisce in tempo reale informazioni sulla disponibilità di posti liberi per parcheggiare (Fig. 2). I sensori sono installati sotto gli spazi adibiti al parcheggio, nella pavimentazione e a livello della sede stradale. Questo comporta alcuni problemi perché l’antenna del sensore è posizionata sotto terra e, quando lo spazio viene occupato, rimane coperta da un veicolo metallico. Per realizzare applicazioni di questo tipo, che in passato erano considerate impossibili o impraticabili, vengono utilizzate le reti mesh channel-hopping sincronizzate.

Un mondo basato su standard
Gli standard svolgono un ruolo importante nella tecnologia di networking, con gli utenti finali che sostengono lo sviluppo di soluzioni basate su standard. Sapere che una tecnologia è stata creata e approvata da un’importante ente normatore ispira fiducia. E se il protocollo WirelessHart/Iec62591 è lo standard in materia di processi industriali, l’Internet Protocol è lo standard per le comunicazioni.
Tutti i dispositivi connessi a Internet usano l’IP per comunicare tra loro. Ogni dispositivo è dotato di un indirizzo IP che lo identifica in maniera univoca su Internet. I pacchetti di dati scambiati contengono un’intestazione IP, una serie di byte che codificano gli indirizzi del dispositivo che ha creato il pacchetto e il dispositivo di destinazione. Per creare uno stack di protocolli (Tcp, Http, ecc.) occorrono molti altri protocolli, ma il comune denominatore è il protocollo IP. Dare ai dispositivi di rete mesh la possibilità di collegarsi a Internet usando il protocollo IP ha rappresentato un importante contributo alla creazione dell’Internet of Things. Numerosi enti normatori hanno creato standard per l’Internet of Things (Fig. 3). La sfida consiste nel consentire la piena integrazione con Internet, integrando i comprovati principi delle reti mesh channel-hopping sincronizzate. All’interno della Ietf (Internet Engineering Task Force), l’ente normatore a cui si deve la maggior parte dei protocolli attualmente in uso su Internet, il gruppo di lavoro CoRE ha definito il protocollo applicativo CoAP (Constrained Application Protocol) che è usato sopra il protocollo Udp e viene facilmente convertito in Http per un’interazione ‘web-like’ con i nodi di sensori wireless. Il gruppo di lavoro 6LoWpan ha definito un livello di adattamento IP che comprime le intestazioni lunghe di un pacchetto IP in piccoli frame o pacchetti di dati wireless, consentendo ai nodi di sensori di essere indirizzabili singolarmente da indirizzi IP. Mentre questi livelli superiori consentono un’interazione ‘web-like’ e l’integrazione con Internet, sono i livelli di protocollo sottostanti che determinano la qualità delle comunicazioni delle reti di sensori wireless. Gli standard creati dalla Ietf sono adatti per radio chip conformi allo standard Ieee802.15.4 che offre un buon compromesso tra velocità di trasmissione dei dati (250kbps), range (da decine a centinaia di metri), consumo (da 5mA a 20mA in trasmissione o ricezione) e dimensioni del pacchetto (fino a 127 byte). Grazie a questo compromesso lo standard Ieee802.15.4 è la soluzione ideale per la tecnologia mesh a basso consumo ed è diventato di fatto la tecnologia di collegamento per queste reti. Nel 2012 l’Ieee ha pubblicato un nuovo standard di accesso da usare su radio conformi allo Ieee802.15.4, denominato Ieee802.15.4e. La modalità Tsch (Time slotted channel hopping) integra i principi del protocollo mesh sincronizzato per consentire una sincronizzazione precisa ‘time-slotted' e il channel hopping RF. Lo standard Ieee802.15.4e definisce il meccanismo utilizzato da due nodi per effettuare il trasferimento di un pacchetto di dati sincronizzato, però non definisce il modo in cui ogni nodo viene assegnato a un programma. Il programma di comunicazione fornisce alla rete Tsch la flessibilità necessaria per soddisfare le necessità di comunicazione dei nodi all’interno della rete (Fig. 4). Ad esempio, è possibile configurare una rete per piccole reti con basse velocità di trasmissione e livelli di consumo bassissimi, come nel caso del monitoraggio ambientale remoto. La stessa rete può essere configurata come rete di grandi dimensioni, ottimizzata per una velocità di trasferimento maggiore. Inoltre un programma assegnato automaticamente, ma flessibile consente alla rete Tsch di adattarsi all’ambiente circostante. Più specificatamente, funzioni della rete quali auto-rigenerazione, ottimizzazione del routing e bilanciamento del carico, vengono attivate mediante programmazione e sono fondamentali per garantire prestazioni elevate per tutto il ciclo di vita di una rete. È possibile creare soluzioni per elaborare e assegnare il programma Tsch, ma finché non esisteranno gli standard necessari, queste soluzioni non saranno interoperabili via etere. La situazione però sta cambiando grazie alla nuova attività di standardizzazione in corso all’interno dell’Ietf: la Deterministic IPv6 over Ieee802.15.4e Time Slotted Channel Hopping (6 Tsch). Questa attività, co-presieduta da Linear Technology e Cisco Systems, ha il compito di definire i protocolli di comunicazione mancanti per consentire a una scheduling entity di gestire il programma Tsch schedule. Colmando questa lacuna nello stack di protocolli IP, il 6 Tsch consentirà la creazione di reti di sensori wireless basate su IP interoperabili, completamente standardizzate, in grado di garantire il livello di affidabilità normalmente associato ai cavi. I web developer potranno richiedere dati in tempo reale dai sensori inoltrando richieste via web all’indirizzo IP di un sensore e la rete di sensori wireless sottostante supporterà tale comunicazione con un’affidabilità dei dati maggiore del 99,999%. Quando i sensori saranno accessibili quanto i web server, le reti di sensori wireless potranno fornire ‘real-world data’ all’Internet of Things.

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