Attività 4.1 Reti ad-hoc e tecnologie rfId per il monitoraggio remoto

L'attività è stata condotta dal gruppo di ricerca dell’IDA Lab, del Dipartimento di Ingegneria dell’Innovazione dell’Università del Salento, e mira a definire e validare i meccanismi a livello MAC per la minimizzazione del consumo energetico dei nodi di una Wireless Sensor Network compatibile allo standard IEEE 802.15.4. In particolare, le attività svolte possono essere suddivise in Ricerca Industriale e Sviluppo Sperimentale.

Un’analisi molto attenta dello stato dell’arte ha evidenziato come le reti di sensori, ampiamente diffuse negli ultimi anni, continuino ad essere oggetto di numerose attività di ricerca focalizzate sullo studio di soluzioni innovative per la riduzione del consumo di potenza. La ricerca di una soluzione innovativa a tale problema risulta essere la nostra principale sfida.

Lo studio simulativo condotto ha evidenziato come l’uso della soluzione individuata comporti una riduzione del consumo energetico dei nodi sia rispetto allo standard ZigBee che al protocollo X-MAC. A questa analisi prestazionale è poi seguita una validazione funzionale della soluzione attraverso test bed
condotti utilizzando i dispositivi hardware scelti.

La corretta funzionalità del protocollo proposto è stata analizzata attraverso due test bed eseguiti presso il laboratorio IDA Lab e il Real-Time Systems Laboratory della Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa, mediante l'utilizzo di dispositivi hardware ed di uno specifico sistema software.

Le tecnologie Wireless Sensor Network (WSN), grazie alle loro caratteristiche di auto-configurarsi ed auto-gestirsi, possono essere installate senza la necessità dell’intervento umano. I parametri rilevati quali temperatura, luminosità, umidità, ecc., vengono inviati presso un punto centrale di elaborazione dati attraverso il canale wireless e la comunicazione multi-hop tra i nodi sensore. Questi ultimi sono solitamente dislocati in aree di difficile accesso ed alimentati a batteria, pertanto è rilevante ottimizzare il consumo di potenza.

Il trend attuale delle attività di ricerca, incentrate sulla riduzione del consumo di potenza, suggerisce di combinare le soluzioni protocollari software con soluzioni hardware che, senza gravare sulle risorse dei nodi, contribuiscono ad una riduzione del consumo di potenza. Nell’ambito di queste soluzioni, una crescente produzione scientifica propone l’utilizzo di una componente radio secondaria a basso consumo, in grado di monitorare il canale ed attivare il nodo solo quando viene rilevata una comunicazione.

Il protocollo CL-RW nasce proprio in questa ottica e si basa sull’integrazione di uno scheduler asincrono il quale, attraverso un dispositivo esterno di wake-up, nello specifico un power detector commerciale, regola la trasmissione periodica dei nodi.

Questa soluzione, attraverso lo scheduling, riduce il numero delle collisioni mentre il power detector, impedendo ai nodi di attivarsi inutilmente, riduce ulteriormente il consumo di potenza.

In particolare, durante la fase di inizializzazione della rete, attraverso l’invio di Annouce Packet (PkANN) un pacchetto di controllo utilizzato per segnalare la propria presenza nella rete unitamente al tempo di trasmissione scelto, tutti i nodi scambiano le informazioni relative ai tempi di trasmissione.

Queste informazioni sono memorizzate in una tabella dei vicini ed usati, in fase di regime, per stabilire il momento d’attivazione; pertanto ciascun nodo è in grado di gestire i due eventi periodici che caratterizzano il funzionamento della rete, ovvero la trasmissione dei propri dati e la ricezione dei dati provenienti dai vicini. Inoltre, grazie all’integrazione del power detector nel protocollo di comunicazione di livello MAC, prima che si attivino, i nodi verificano che effettivamente la trasmissione schedulata dal vicino sia veramente in atto.

Per la campagna sperimentale, che ha permesso di analizzare le prestazioni del protocollo proposto, sono stati utilizzati dei nodi sensore ottenuti integrando il dispositivo di wake-up esterno con una board MB954 prodotta da STMicroelectronics e conforme allo standard IEEE 802.15.4.

La fase di validazione è stata divisa in due test. Nel primo è stata considerata una tipologia a stella caratterizzata da un receiver e quattro sender posizionati nel medesimo raggio trasmissivo; nel secondo è stata analizzata la tipologia a catena costituita da cinque nodi.

Nella prima tipologia, tutti i nodi sono nel medesimo range di comunicazione, pertanto possiedono un ugual numero di vicini. Confrontando i dati del test del protocollo CL-RW con quelli di un’altra soluzione MAC basata su duty cycle e chiamata AS3-MAC, si riscontra un risparmio d’energia pari al 48%.

Nella tipologia a catena, sia il nodo più lontano dal sik, sia quello più vicino, presentano un consumo di potenza inferiore rispetto ai nodi centrali in quanto, rispetto a questi ultimi, hanno un numero inferiore di vicini. Infatti per il protocollo CL-RW, un nodo attiva la propria componente radio solo quando il power detector rivela una comunicazione effettiva proveniente dal suo vicino. Il Nodo 1 essendo un nodo sink, non effettua trasmissioni durante il suo wake interval, pertanto il Nodo 2 non si attiva risparmiando energia. In questo secondo test, l’energia risparmiata arriva ad un massimo del 44%.