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Progettazione e realizzazione diProgettazione e realizzazione diun sensor-node per una WSNun sensor-node per una WSN
2Wireless sensor networkWireless sensor network Finalità delle wireless sensor networkFinalità delle wireless sensor netw...
Sensor nodeSensor node3I nodi sensore sono dispositivi capaci di comunicare tra loro.Struttura:• microcontrollore• trasmet...
Strutture di una WSNStrutture di una WSN4Una rete di sensori può essere realizzata in tre differenti topologie,indicando l...
Strategia multi hopStrategia multi hop5Per l’elevata densità di posizionamento i nodi possono essere molto vicini fra loro...
Semplici protocolli di comunicazione 1/3• ALOHACONTENTION BASED
Semplici protocolli di comunicazione 2/3• Slotted ALOHA • Framed Slotted ALOHACONTENTION BASED
Semplici protocolli di comunicazione 3/3SCHEDULE-BASED• TIME DIVISION MULTIPLE ACCESSOgni slots è assegnato dall’unità c...
Consumi energeticiVari protocolli per il contenimento del consumo energetico•Es. LPL (Low Powering Listening)
Il nodo sensore• Arduino Uno • Xbee shield • Xbee module• DHT22 T/H sensor• LCD hd44780 compatibile
DHT22 1/3Il DHT22 è un sensore digitale di temperatura ed umidità a basso costo;acquisisce le grandezze fisiche e le manda...
DHT22 2/3
DHT22 3/3
LCD HD44780 1/2• L’ HD44780 è un controllorein grado di gestire displaylcd capaci di visualizzaresolo caratteri.• Nel nodo...
LCD HD44780 2/2
• Permette al nodo di comunicarein wireless utilizzando il protocolloZigbee basato sullo standard802.15.4• Può trasmettere...
Standard IEEE 802.15.4 (1/2)Standard IEEE 802.15.4 (1/2)17Livello MACLivello MAC• trasmissione dei beacon• accesso al cana...
Standard IEEE 802.15.4 (2/2)Standard IEEE 802.15.4 (2/2)• Full Function Device (FFD)Sono dispositivi in grado di fornire t...
Topologie IEEE 802.15.4Topologie IEEE 802.15.419• Rete a Stella: è formata attorno ad un FFD che funziona come coordinator...
Modalità di trasferimento 1/2Modalità di trasferimento 1/2• dispositivo → coordinator: Un generico nodo della WPAN può in ...
Modalità di trasferimento 2/2Modalità di trasferimento 2/221• La trasmissione delle informazioni può avvenire in modi diff...
Protocollo ZigBeeProtocollo ZigBee22• Basato sulle specifiche dello standard 802.15.4, la tecnologia ZigBee cheimplementa ...
Livello di reteLivello di rete23• Individuazione delle figure di rete coordinatore, router ed end-device,ognuna con funzio...
Livello applicativoLivello applicativo24A livello applicativo ZigBee prevede lidentificazione di tre differenti strutture:...
Topologie ZigBeeTopologie ZigBee25STELLA: tutti i dispositivi finali comunicano solo con il coordinatore.CLUSTER: i dispos...
Sensore di fumo/gas MQ-22• Sensore di fumo• Elevata sensibilità e tempi rapidi di risposta• Utilizzato in apparecchiature ...
MQ-2Schema logico
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  1. 1. Progettazione e realizzazione diProgettazione e realizzazione diun sensor-node per una WSNun sensor-node per una WSN
  2. 2. 2Wireless sensor networkWireless sensor network Finalità delle wireless sensor networkFinalità delle wireless sensor network::osservare, controllare e misurare, attraversoopportuni dispositivi, specifiche aree damonitorare. RetiReti::insieme di sensori disposti in prossimità,oppure all’interno, del fenomenoda osservare.
  3. 3. Sensor nodeSensor node3I nodi sensore sono dispositivi capaci di comunicare tra loro.Struttura:• microcontrollore• trasmettitore-ricevitore• memoria esterna• sensori
  4. 4. Strutture di una WSNStrutture di una WSN4Una rete di sensori può essere realizzata in tre differenti topologie,indicando la modalità in cui i diversi dispositivi della rete vengono disposti ele relative interconnessioni.
  5. 5. Strategia multi hopStrategia multi hop5Per l’elevata densità di posizionamento i nodi possono essere molto vicini fra loro e ciòpermette di realizzare algoritmi di rete multi hop per raggiungere il corretto destinatariodell’informazione.
  6. 6. Semplici protocolli di comunicazione 1/3• ALOHACONTENTION BASED
  7. 7. Semplici protocolli di comunicazione 2/3• Slotted ALOHA • Framed Slotted ALOHACONTENTION BASED
  8. 8. Semplici protocolli di comunicazione 3/3SCHEDULE-BASED• TIME DIVISION MULTIPLE ACCESSOgni slots è assegnato dall’unità centrale ad uno dei nodi che quindicomunicherà solo in questo slot.
  9. 9. Consumi energeticiVari protocolli per il contenimento del consumo energetico•Es. LPL (Low Powering Listening)
  10. 10. Il nodo sensore• Arduino Uno • Xbee shield • Xbee module• DHT22 T/H sensor• LCD hd44780 compatibile
  11. 11. DHT22 1/3Il DHT22 è un sensore digitale di temperatura ed umidità a basso costo;acquisisce le grandezze fisiche e le manda in out sul pin dati.È di semplice utilizzo e configurazione.
  12. 12. DHT22 2/3
  13. 13. DHT22 3/3
  14. 14. LCD HD44780 1/2• L’ HD44780 è un controllorein grado di gestire displaylcd capaci di visualizzaresolo caratteri.• Nel nodo sensore si èutilizzato un LCD 16X4• Utilizzato in ambito disistemi embedded perrealizzazione di apparatielettronici ed hobbystici perla sua versatilità ed il suofacile interfacciamento
  15. 15. LCD HD44780 2/2
  16. 16. • Permette al nodo di comunicarein wireless utilizzando il protocolloZigbee basato sullo standard802.15.4• Può trasmettere dati in un rangeche va da 30m a 100m• Protocollo di riferimento per lePANXbee shield
  17. 17. Standard IEEE 802.15.4 (1/2)Standard IEEE 802.15.4 (1/2)17Livello MACLivello 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 l’integrità della PDU.
  18. 18. Standard IEEE 802.15.4 (2/2)Standard IEEE 802.15.4 (2/2)• Full Function Device (FFD)Sono dispositivi in grado di fornire tutti i servizi e tipicamente sono alimentatidalla rete elettrica. Possono realizzare la funzionalità di router per inoltraredati tra nodi che non possono comunicare direttamente tra loro.• Reduced Function Device (RFD)Sono dispositivi meno sofisticati degli FFD, e per questo richiedono menomemoria e sono alimentabili a batteria. Possono essere utilizzatiesclusivamente in una configurazione topologica di rete a stella e sono ingrado di comunicare solo con FFD.18
  19. 19. Topologie IEEE 802.15.4Topologie IEEE 802.15.419• Rete a Stella: è formata attorno ad un FFD che funziona come coordinatore principale,fulcro delle connessioni con dispositivi sia FFD sia RFD.• Rete punto–punto: senza il diretto coinvolgimento di un coordinatore per ogni sottorete,anche se un coordinatore della rete PAN è in ogni caso prevista.
  20. 20. Modalità di trasferimento 1/2Modalità di trasferimento 1/2• dispositivo → coordinator: Un generico nodo della WPAN può in ogni momentoinviare i propri dati al coordinatore utilizzando lalgoritmo di accesso multiploCSMA/CA• coordinator → dispositivo: quando un dispositivo vuole ricevere i dati dal propriocoordinator, esso invia una richiesta al coordinatore e rimane in attesa dei dati. Nellamodalità beacon enabled il coordinator esplicitamente dichiara nel messaggio dibeacon quali sono i nodi figli per cui dispone di dati pendenti.• dispositivo → dispositivo: è utilizzata in topologie peer-to-peer e richiede che inodi siano tra loro sincronizzati.
  21. 21. Modalità di trasferimento 2/2Modalità di trasferimento 2/221• La trasmissione delle informazioni può avvenire in modi differenti a seconda dichi le spedisce.• Solitamente per la trasmissione deidati si utilizzano reti beacon-enabled.
  22. 22. Protocollo ZigBeeProtocollo ZigBee22• Basato sulle specifiche dello standard 802.15.4, la tecnologia ZigBee cheimplementa protocolli fino a livello applicativo.
  23. 23. Livello di reteLivello di rete23• Individuazione delle figure di rete coordinatore, router ed end-device,ognuna con funzioni e compiti man mano decrescenti all’interno 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 l’utilizzo nelle politiche di routing;• Realizzazione dell’instradamento dei pacchetti attraverso due tecniche:•Tree routing•Table routing• Il protocollo prevede la formazione di tre differenti topologie di reti:•Mesh•Star•Tree
  24. 24. Livello applicativoLivello applicativo24A livello applicativo ZigBee prevede lidentificazione di tre differenti strutture:• Fornisce linterfaccia fra livello di rete e livello applicazione (APL)• Application Framework (AF)Application Framework (AF)• ZigBee Device Objects (ZDO)ZigBee Device Objects (ZDO)• Si comporta come un’applicazione vera e propria, supportandofunzioni classiche come il rilevamento di nuovi dispositivi e lagestione del nodo stesso;• Fornisce uninterfaccia di servizi fra oggetti applicativi e APS.• Application Support Sub-layer (APS)Application Support Sub-layer (APS)
  25. 25. Topologie ZigBeeTopologie ZigBee25STELLA: tutti i dispositivi finali comunicano solo con il coordinatore.CLUSTER: i dispositivi finali possono far capo al nodocoordinatore oppure ad un nodo router.MESH: è simile alla topologia a cluster, tranne per il fatto che inodi di tipo FFD sono collegati l’un l’altro.
  26. 26. Sensore di fumo/gas MQ-22• Sensore di fumo• Elevata sensibilità e tempi rapidi di risposta• Utilizzato in apparecchiature per il rilevamento di perdite di gas• Adatto alla rilevazione di metano, GPL, isobutano, propano, alcool etilico,idrogeno e fumo
  27. 27. MQ-2Schema logico
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