Caratteristiche e come funziona una rete di sensori WSN (Wireless Sensor Network)

Negli ultimi anni le tecnologie di rete wireless hanno svolto un ruolo fondamentale nello sviluppo di una vasta gamma di applicazioni aventi la necessità di rendere facilmente condivisibile l’informazione.
Infatti, le tecnologie cablate permettono di creare reti con una specifica topologia e richiedono dunque un notevole lavoro per la loro installazione. Al contrario le tecnologie wireless permettono di creare reti ad hoc a basso costo, anche grazie al modesto lavoro d’installazione necessario, garantendo una buona scalabilità del sistema e una facile riconfigurazione. Queste ottime caratteristiche hanno facilitato lo sviluppo di svariate applicazioni che, grazie all’utilizzo di dispositivi in grado di interagire con l’ambiente circostante e controllabili quasi direttamente dall’utente esterno, passano dall’automazione di sistemi industriali e domestici al monitoraggio ambientale fino a sistemi di sicurezza e applicazioni mediche.

Cos’è una rete di sensori

Una rete di sensori wireless (Wireless Sensor Network, WSN) consiste in una rete formata da dispositivi, normalmente con ridotta complessità e grandezza, chiamati nodi sensori che possono raccogliere informazioni dall’ambiente circostante e comunicarle attraverso vari mezzi di comunicazione verso nodi di calcolo che possono servirsene localmente o in alternativa trasmetterle attraverso l’uso di un gateway verso altre reti (tipicamente internet). In altre parole, possiamo definire dunque un WSN come una rete di nodi che cooperano al fine di monitorare una determinata area di interesse ed eventualmente controllarla, consentendo un’interazione tra l’utente esterno e l’ambiente circostante

Gli elementi base di un WSN sono dunque i sensori, i nodi di calcolo e i gateway. Normalmente i nodi di calcolo e i gateway sono dispositivi più complessi dei nodi sensori a causa dell’elevato numero di funzionalità cui devono provvedere. Il sensore è dunque il più semplice dispositivo del network, e solitamente il numero di sensori è notevolmente più grande rispetto al numero dei restanti dispositivi presenti nella rete; è di fondamentale importanza dunque mantenere la loro dimensione e soprattutto il loro costo più contenuto possibile.

Un ulteriore fattore critico per un sensore è il consumo di energia, in quanto spesso questi dispositivi sono alimentati da batterie a causa della facilità d’installazione che comporta questa scelta.
Perciò al fine di consentire alla rete di operare per un tempo ragionevole, denominato network lifetime, i nodi sensori devono essere in grado di sfruttare adeguatamente l’energia fornita dalle batterie per un periodo sufficiente, che in molte applicazioni è dell’ordine degli anni.

Dunque anche il consumo di energia rappresenta un fattore di merito importante nella progettazione di tali dispositivi, che può essere raggiunto utilizzando tecniche energeticamente efficienti sia nella fase di trasmissione sia in quella di elaborazione dell’informazione, come ad esempio la cooperazione tra i nodi nella consegna dell’informazione al nodo di calcolo.
Tale cooperazione dipenderà dalla densità di sensori e nodi di calcolo presenti in una determinata area che definisce la connettività e raggiungibilità dei nodi della rete, oltre che alla copertura dello spazio monitorato (probabilità che un evento che si verifichi venga individuato da almeno un sensore).

Caratteristiche principali di un WSN

Le reti di sensori si differenziano dalle altre tipologie di rete per obiettivi, requisiti e capacità; è bene dunque focalizzare dal principio il contesto in cui ci troviamo per meglio comprendere i motivi di molte scelte tecniche e logiche.
Dalle considerazioni fatte in precedenza possiamo dedurre quali sono le caratteristiche desiderabili in una rete di sensori:

• Scalabilità rispetto al numero di nodi della rete
• Autocorganizzazione
• Riconfigurazione automatica
• Efficienza energetica
• Ridotta manutenzione
• Accettabile grado di comunicazione tra i nodi
• Bassa complessità
• Basso costo.

Risulta evidente che questi requisiti sono necessari per rendere queste reti facilmente installabili e utilizzabili anche da un utente poco esperto, richiedendo la minor quantità di manutenzione possibile.
Infatti nel contesto in cui operiamo non sono richieste tecnologie avanzate, visto che utilizziamo sistemi di per sé semplici ma che diventano complessi nel momento in cui il numero di nodi della rete cresce, raggiungendo talvolta l’ordine delle centinaia; è per tale motivo che l’ostacolo principale che tali reti pongono non sono tanto tecnologici ma di effettiva praticità di utilizzo e di fattibilità in ambienti ostili alla loro realizzazione che implica quindi anche il costo economico relativo a installazione e manutenzione.