Università degli Studi di Pavia

Facoltà di Ingegneria

Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Informatica

Relatore: Prof. Paolo Ettore Gamba

Correlatore: Ing. Emanuele Goldoni

Tesi di laurea diFilippo De Stefani

SISTEMA DI MONITORAGGIO AMBIENTALE TRAMITE WSN

Remote Sensing Group

OBIETTIVOOBIETTIVO: Realizzazione di un sistema di monitoraggio ambientale:

• out-of-the-box

• economico

• espandibile

• versatile

• open source

WSN

DB SERVER

WEB SERVER

UTENTE

FASI:

2) Progettazione WSN

3) Progettazione sistema di memorizzazione, consultazione ed analisi dati

4) Test (propagazione radio, prestazioni del sistema)

OBIETTIVO INTRODUZIONE WSN PROGETTAZIONE WSN TESTPROGETTAZIONE SISTEMA

Remote Sensing Group

COSA È UNA WSNUna WSN (Wireless Sensor Network) è una rete wireless composta da elementi in grado di compiere misurazioni, elaborarle e comunicarle ad un punto centrale

OBIETTIVO INTRODUZIONE WSN PROGETTAZIONE WSN TESTPROGETTAZIONE SISTEMA

Remote Sensing Group

SFIDE DI UNA WSNSFIDE DI UNA WSN:

• ENERGIA LIMITATA

• TOPOLOGIA DELLA RETE DINAMICA

• GRANDE ESTENSIONE

• PROBLEMI DI COMUNICAZIONE

• CONDIZIONI AMBIENTALI AVVERSE

MECCANISMI NECESSARI:

• OPERAZIONI ENERGY-EFFICIENT

• CONNESSIONI MULTI-HOP

• RETE AUTO-CONFIGURANTE

OBIETTIVO INTRODUZIONE WSN PROGETTAZIONE WSN TESTPROGETTAZIONE SISTEMA

Remote Sensing Group

APPLICAZIONI POSSIBILIDOMESTICO:• Home Automation• Smart Metering

MILITARE:• Sorveglianza• Tracking obiettivi

INDUSTRIALE:• Automazione• Supply Chain

BIOMEDICO:• Monitoraggio parametri biologici

TRASPORTI:• Sensori intra-vehicle• Monitoraggio traffico

AMBIENTALE:• Agricoltura di precisione• Monitoraggio

OBIETTIVO INTRODUZIONE WSN PROGETTAZIONE WSN TESTPROGETTAZIONE SISTEMA

Remote Sensing Group

SOLUZIONI ESISTENTI DI MONITORAGGIO

Sono già disponibili soluzioni per il monitoraggio ambientale

Il progetto realizzato si differenzia per:

• BASSO COSTO

• COMPLETEZZA

• HARDWARE dei nodi adoperati

OBIETTIVO INTRODUZIONE WSN PROGETTAZIONE WSN TESTPROGETTAZIONE SISTEMA

Remote Sensing Group

NODI ADOPERATI

SQUIDBEE (Libelium)

ARDUINO XBEE SENSORI

Luminosità

Umidità

Temperatura

- Atmel ATmega16816 Mhz clock- 16 K Flash- Linguaggio diprogrammazione basato su Wiring (un derivato di C)

- IEEE 802.15.4- Banda: 2.4 Ghz- Data rate: 250 kbit/s

MEMORIASEMPLICITÀ

CONSUMICOSTO (120 €)

CONTROPRO

OBIETTIVO INTRODUZIONE WSN PROGETTAZIONE WSN TESTPROGETTAZIONE SISTEMA

Remote Sensing Group

FUNZIONALITÀ DELLA WSNFUNZIONALITÀ SVILUPPATE:

• DUTY-CYCLING

• POWER MANAGEMENT

• ROUTING

FUNZIONALITÀ GIÀ IMPLEMENTATE:

• TRASMISSIONE DEI BIT

• MEDIUM ACCESS CONTROL

OBIETTIVO INTRODUZIONE WSN PROGETTAZIONE WSN TESTPROGETTAZIONE SISTEMA

Remote Sensing Group

POWER MANAGEMENTProtocollo di SLEEP / WAKEUP di tipo SCHEDULED RENDEZVOUS

Schedulazione composta da 3 fasi: SAFETY attivazioneACTIVE trasmissione e ricezione pacchettiSLEEP stand-by

SAFETY ACTIVE SLEEP

RADIO ON RADIO OFF

OBIETTIVO INTRODUZIONE WSN PROGETTAZIONE WSN TESTPROGETTAZIONE SISTEMA

Remote Sensing Group

ROUTING

OBIETTIVO INTRODUZIONE WSN PROGETTAZIONE WSN TESTPROGETTAZIONE SISTEMA

ROUTING REATTIVO GERARCHICO

CLUSTER

SINK

CLUSTER-HEAD

GERARCHICO:

Struttura gerarchica, divisa in cluster, gestiti da cluster-head

REATTIVO:

• Ogni nodo contiene solo l’indirizzo del suo cluster-head

• In caso di messaggi che richiedono un forward path (dalla radice alle foglie), i cluster-head apprendono il percorso on-demand

Remote Sensing Group

SISTEMA DI MEMORIZZAZIONE E CONSULTAZIONEARCHITETTURA HARDWARE

ARCHITETTURA SOFTWARE

BROWSER

OBIETTIVO INTRODUZIONE WSN PROGETTAZIONE WSN TESTPROGETTAZIONE SISTEMA

APPLICAZIONE WEB

Remote Sensing Group

APPLICAZIONE WEB (1/4)MONITORAGGIO

DATIULTIME

RILEVAZIONI

GRAFICI ULTIME 24H

NODI

ULTIMARILEVAZIONE

OBIETTIVO INTRODUZIONE WSN PROGETTAZIONE WSN TESTPROGETTAZIONE SISTEMA

MAPPA

Remote Sensing Group

APPLICAZIONE WEB (2/4)ANALISI DEI DATI

FORM RICHIESTA

DATI

GRAFICIRICHIESTI

OBIETTIVO INTRODUZIONE WSN PROGETTAZIONE WSN TESTPROGETTAZIONE SISTEMA

Remote Sensing Group

APPLICAZIONE WEB (3/4)GESTIONE DEGLI

ALLARMI

AREA DIALLARME

IMPOSTAZIONIAREA DI ALLARME

UTENTIREGISTRATI

OBIETTIVO INTRODUZIONE WSN PROGETTAZIONE WSN TESTPROGETTAZIONE SISTEMA

Remote Sensing Group

APPLICAZIONE WEB (4/4)

OBIETTIVO INTRODUZIONE WSN PROGETTAZIONE WSN TESTPROGETTAZIONE SISTEMA

VISUALIZZAZIONE DELLO STATO DELLA WSN

WSN

DATI CONNESSIONE

NODO

Remote Sensing Group

TEST1) ANALISI PROPAGAZIONE RADIO

2) TEST DEL SISTEMA COMPLETO

OBIETTIVO INTRODUZIONE WSN PROGETTAZIONE WSN TESTPROGETTAZIONE SISTEMA

Remote Sensing Group

ANALISI PROPAGAZIONE RADIONON POSIZIONARE I NODI IN BASSO!

OBIETTIVO INTRODUZIONE WSN PROGETTAZIONE WSN TESTPROGETTAZIONE SISTEMA

Remote Sensing Group

TEST DEL SISTEMA COMPLETOCONFIGURAZIONE

• Deployment di 4 nodi in ambiente chiuso

• Intervallo di trasmissione di 1 minuto

00,35

0

4,6

0

1

2

3

4

5

1 2 3 4

ID NODO

% P

AC

CH

ET

TI

PE

RS

I

Nodo più lontano e con antenna integrata

STRUTTURA DELLA WSN

AUTONOMIA

• Dopo 4 ore e 41 minuti: batterie (150 mAh) ancora cariche

Autonomia potrebbe essere di qualche giorno se:

• Batterie da 2500 mAh

• Meccanismo di power saving MCU

• Intervallo di trasmissione più lungo

SINK

OBIETTIVO INTRODUZIONE WSN PROGETTAZIONE WSN TESTPROGETTAZIONE SISTEMA

Remote Sensing Group

CONSIDERAZIONI FINALI• Il sistema funziona correttamente e con buone prestazioni

• Aspetti migliorabili • IMPLEMENTARE SICUREZZA WSN, comunicazioni client-server, applicazione web

• MIGLIORARE GESTIONE MULTI-UTENZA

• ESPANDERE FUNZIONALITÀ INTERFACCIA

• IMPLEMENTARE MECCANISMO RISPARMIO ENERGETICO MCU

Remote Sensing Group

FINE

GRAZIE DELL’ATTENZIONE