Progettazione e realizzazione di un sensor-node per una WSN

*Wireless sensor networkFinalit delle wireless sensor network: osservare, controllare e misurare, attraverso opportuni dispositivi, specifiche aree da monitorare.Reti: insieme di sensori disposti in prossimit, oppure allinterno, del fenomeno da osservare.

Sensor node*I nodi sensore sono dispositivi capaci di comunicare tra loro.Struttura: microcontrollore trasmettitore-ricevitore memoria esterna sensori

Strutture di una WSN*Una rete di sensori pu essere realizzata in tre differenti topologie, indicando la modalit in cui i diversi dispositivi della rete vengono disposti e le relative interconnessioni.

Strategia multi hop*Per lelevata densit di posizionamento i nodi possono essere molto vicini fra loro e ci permette di realizzare algoritmi di rete multi hop per raggiungere il corretto destinatario dellinformazione.

Semplici protocolli di comunicazione 1/3ALOHACONTENTION BASED

Semplici protocolli di comunicazione 2/3Slotted ALOHAFramed Slotted ALOHACONTENTION BASED

Semplici protocolli di comunicazione 3/3SCHEDULE-BASEDTIME DIVISION MULTIPLE ACCESSOgni slots e assegnato dallunita centrale ad uno dei nodi che quindi comunichera solo in questo slot.

Consumi energeticiVari protocolli per il contenimento del consumo energetico

Es. LPL (Low Powering Listening)

Il nodo sensoreArduino UnoXbee shieldXbee moduleDHT22 T/H sensorLCD hd44780 compatibile

DHT22 1/3Il DHT22 un sensore digitale di temperatura ed umidit a basso costo; acquisisce le grandezze fisiche e le manda in out sul pin dati. di semplice utilizzo e configurazione.

DHT22 2/3

DHT22 3/3

LCD HD44780 1/2L HD44780 un controllore in grado di gestire display lcd capaci di visualizzare solo caratteri.Nel nodo sensore si utilizzato un LCD 16X4Utilizzato in ambito di sistemi embedded per realizzazione di apparati elettronici ed hobbystici per la sua versatilit ed il suo facile interfacciamento

LCD HD44780 2/2

Permette al nodo di comunicare in wireless utilizzando il protocollo Zigbee basato sullo standard 802.15.4Pu trasmettere dati in un range che va da 30m a 100mProtocollo di riferimento per le PAN

Xbee shield

Standard IEEE 802.15.4 (1/2)* Livello MAC trasmissione dei beacon accesso al canale tramite il protocollo CSMA/CA supporta algoritmi di cifratura basata su AES-128 per la sicurezza dei dati ritrasmissione dei dati in caso di mancata o erronea ricezione calcola e verifica lintegrit della PDU.

Standard IEEE 802.15.4 (2/2)Full Function Device (FFD) Sono dispositivi in grado di fornire tutti i servizi e tipicamente sono alimentati dalla rete elettrica. Possono realizzare la funzionalit di router per inoltrare dati tra nodi che non possono comunicare direttamente tra loro.

Reduced Function Device (RFD) Sono dispositivi meno sofisticati degli FFD, e per questo richiedono meno memoria e sono alimentabili a batteria. Possono essere utilizzati esclusivamente in una configurazione topologica di rete a stella e sono in grado di comunicare solo con FFD. *

Topologie IEEE 802.15.4* Rete a Stella: formata attorno ad un FFD che funziona come coordinatore principale, fulcro delle connessioni con dispositivi sia FFD sia RFD. Rete puntopunto: senza il diretto coinvolgimento di un coordinatore per ogni sottorete, anche se un coordinatore della rete PAN in ogni caso prevista.

Modalit di trasferimento 1/2dispositivo coordinator: Un generico nodo della WPAN pu in ogni momento inviare i propri dati al coordinatore utilizzando l'algoritmo di accesso multiplo CSMA/CA

coordinator dispositivo: quando un dispositivo vuole ricevere i dati dal proprio coordinator, esso invia una richiesta al coordinatore e rimane in attesa dei dati. Nella modalit beacon enabled il coordinator esplicitamente dichiara nel messaggio di beacon quali sono i nodi figli per cui dispone di dati pendenti.

dispositivo dispositivo: utilizzata in topologie peer-to-peer e richiede che i nodi siano tra loro sincronizzati.

Modalit di trasferimento 2/2* La trasmissione delle informazioni pu avvenire in modi differenti a seconda di chi le spedisce. Solitamente per la trasmissione dei dati si utilizzano reti beacon-enabled.

Protocollo ZigBee* Basato sulle specifiche dello standard 802.15.4, la tecnologia ZigBee che implementa protocolli fino a livello applicativo.

Livello di rete* Individuazione delle figure di rete coordinatore, router ed end-device, ognuna con funzioni e compiti man mano decrescenti allinterno della rete; Auto-formazione e gestione delle connessioni di rete; Gestione delle chiavi network create con algoritmo di cifratura AES-128; Assegnazione di indirizzi a 16 bit per lutilizzo nelle politiche di routing; Realizzazione dellinstradamento dei pacchetti attraverso due tecniche:Tree routingTable routing Il protocollo prevede la formazione di tre differenti topologie di reti:MeshStarTree

Livello applicativo*A livello applicativo ZigBee prevede l'identificazione di tre differenti strutture: Fornisce l'interfaccia fra livello di rete e livello applicazione (APL) Application Framework (AF) ZigBee Device Objects (ZDO) Si comporta come unapplicazione vera e propria, supportando funzioni classiche come il rilevamento di nuovi dispositivi e la gestione del nodo stesso; Fornisce un'interfaccia di servizi fra oggetti applicativi e APS. Application Support Sub-layer (APS)

Topologie ZigBee*STELLA: tutti i dispositivi finali comunicano solo con il coordinatore.CLUSTER: i dispositivi finali possono far capo al nodo coordinatore oppure ad un nodo router. MESH: simile alla topologia a cluster, tranne per il fatto che i nodi di tipo FFD sono collegati lun laltro.

Sensore di fumo/gas MQ-22Sensore di fumoElevata sensibilit e tempi rapidi di rispostaUtilizzato in apparecchiature per il rilevamento di perdite di gasAdatto alla rilevazione di metano, GPL, isobutano, propano, alcool etilico, idrogeno e fumo

MQ-2Schema logico