ITTO20110317A1 - Procedimento per gestire una rete di sensori senza fili , e relativo nodo sensore, rete di sensori e prodotto informatico - Google Patents

Procedimento per gestire una rete di sensori senza fili , e relativo nodo sensore, rete di sensori e prodotto informatico Download PDF

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ITTO20110317A1 IT000317A ITTO20110317A ITTO20110317A1 IT TO20110317 A1 ITTO20110317 A1 IT TO20110317A1 IT 000317 A IT000317 A IT 000317A IT TO20110317 A ITTO20110317 A IT TO20110317A IT TO20110317 A1 ITTO20110317 A1 IT TO20110317A1
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Description

DESCRIZIONE dell’invenzione industriale dal titolo:
“Procedimento per gestire una rete di sensori senza fili , e relativo nodo sensore, rete di sensori e prodotto informaticoâ€
TESTO DELLA DESCRIZIONE
Campo dell’invenzione
La presente invenzione si riferisce ai sistemi e procedimenti di comunicazione per reti di sensori senza fili (Wireless Sensor Network o WSN).
L’invenzione à ̈ stata sviluppata con particolare attenzione al suo possibile impiego per realizzare la comunicazione tra un insieme di dispositivi elettronici autonomi in grado di prelevare dati dall'ambiente circostante e di comunicare tra loro.
Descrizione della tecnica relativa
I recenti progressi tecnologici hanno permesso di sviluppare dispositivi elettronici a bassa potenza e capaci di comunicare tra loro tramite tecnologie wireless a raggio limitato.
Spesso questi dispositivi comprendono un’unità di controllo che comunica con almeno un sensore. Ad esempio, a tale scopo l’unità di controllo comprende di solito una pluralità di ingressi e/o uscite per interfacciarsi con almeno un sensore. In questo modo, il dispositivo à ̈ in grado di rilevare grandezze fisiche (quale ad esempio, la temperatura, l’umidità e/o la posizione). Per questo motivo, tali dispositivi vengono spesso chiamati nodi sensori (sensor node).
Di conseguenza, una rete di sensori (sensor network) comprende una pluralità di nodi sensori. Ad esempio, la Figura 1 mostra un tipico scenario di una tale rete di sensori comprendente sei nodi A, B, ..., F, in cui ciascun nodo comprende un modulo di elaborazione e comunicazione 10 e un modulo di interfaccia 20 per il collegamento ad almeno un sensore. In particolare, nella forma di attuazione considerata, il modulo di elaborazione e comunicazione 10 comprende un’interfaccia di comunicazione senza fili ed un’unità di controllo che rileva i dati misurati tramite i sensori e gestisce la comunicazione senza fili.
Preferibilmente, tali nodi comunicano tra di loro tramite una comunicazione senza fili a corto raggio e i dati vengono inviti ad uno o più nodi principali, detti nodi sink o gateway, i quali hanno lo scopo di raccogliere i dati e trasmetterli, ad esempio, ad un server.
Spesso, la comunicazione tra i nodi à ̈ basata su un protocollo di comunicazione “multi-hop†, quale ad esempio il protocollo ZigBee® o N.A.A.W. (Nuovo Apparato Autoconfigurante Wireless), ossia i nodi stessi fungono da ripetitori per trasmettere il segnale dai nodi più vicini ai nodi che sono troppo distanti per essere raggiunti direttamente dal nodo sink. In questo modo, la rete di sensori à ̈ in grado di coprire grandi distanze che superano la distanza di comunicazione del singolo nodo. Ad esempio, nella forma di attuazione considerata, il nodo A potrebbe trasmettere dati al nodo E attraverso i nodi B e D.
Ad esempio, nel caso in cui la rete sia realizzata tramite dispositivi N.A.A.W., la rete avrebbe le seguenti proprietà:
- la rete à ̈ una rete Wireless Fidelity (WiFi) mesh multi-hop a livello 3, per consentire un numero di hop elevato;
- l'intelligenza di routing à ̈ realmente distribuita su tutta la rete e non definita da un server mesh centrale; e - i nodi sono in grado di autoconfigurarsi in modo completamente autonomo definendo le tabelle di routing in tempo reale.
In generale, la rete di sensori può comprendere non solo nodi sensori ma anche nodi che fungono esclusivamente da ripetitori o che svolgono altre funzioni.
Ad esempio, il nodo D potrebbe essere utilizzato soltanto come nodo ripetitore.
Inoltre, nel caso in cui la rete sia una rete di area locale wireless (W-LAN) secondo lo standard IEEE 802.11, uno dei nodi, ad esempio il nodo C, può essere un nodo di accesso (access point) di tipo client configurato per fornire servizi di accesso e comunicazione a una pluralità di dispositivi utente.
Similarmente, uno dei nodi, ad esempio il nodo A, può essere un nodo gateway per fornire servizi di accesso e comunicazione ad un wide area network (WAN). In questo caso, il nodo in funzionalità gateway può anche ricevere parametri di configurazione da un server e trasmetterli ad uno dei nodi della rete. Ad esempio, tale server può essere connesso alla stessa wide area network, quale ad esempio Internet, e comprende moduli programma di tipo noto per permettere lo scambio di informazioni fra dispositivi della rete e dispositivi connessi alla wide area network. In questo caso il server, ad esempio, un personal computer di tipo noto, comprende memorizzato un motore di configurazione atto a configurare i nodi della rete.
Tale rete N.A.A.W. à ̈ descritta in dettaglio nella domanda di brevetto PCT WO2008/010248 a nome della stessa Richiedente, il cui contenuto à ̈ qui interamente incorporato per riferimento.
Indipendentemente dallo specifico protocollo di comunicazione utilizzato, i nodi sensori vengono spesso alimentati soltanto tramite una batteria e/o un panello solare, ossia molti nodi della rete possono avere una riserva d'energia limitata e, una volta messi in opera, devono lavorare autonomamente. Di conseguenza, tali nodi devono ottimizzare i loro consumi energetici, in modo tale da migliorare il loro ciclo di vita.
Scopo e sintesi dell’invenzione
Lo scopo dell’invenzione à ̈ quello di fornire un nodo sensore in grado di ottimizzare il suo consumo energetico.
Infatti, gli inventori hanno osservato che, per ridurre l’energia necessaria per la trasmissione dei dati tra i vari nodi, si può ridurre la distanza tra i vari nodi. Tuttavia, questo può introdurre ridondanza nei dati misurati, perché nodi vicini misurano gli stessi valori senza aggiungere ulteriori informazioni.
Di conseguenza, il nodo sensore secondo la presente invenzione à ̈ in grado di determinare autonomamente e in collaborazione con i nodi vicini, quali sensori devono essere attivati per garantire una densità dei servizi o risoluzione del monitoraggio determinata.
In vista di raggiungere il suddetto scopo, l’invenzione ha per oggetto un procedimento per gestire una rete di sensori avente le caratteristiche specificate nella rivendicazione 1. L’invenzione riguarda anche un relativo nodo sensore e una relativa rete di sensori. Ulteriori caratteristiche vantaggiose dell’invenzione formano oggetto delle rivendicazioni dipendenti.
L’invenzione riguarda anche un prodotto informatico, caricabile nella memoria di almeno un elaboratore e comprendente parti di codice software suscettibili di realizzare le fasi del procedimento quando il prodotto à ̈ eseguito su almeno un elaboratore. Così come qui utilizzato, il riferimento ad un tale prodotto informatico à ̈ inteso essere equivalente al riferimento ad un mezzo leggibile da elaboratore contenente istruzioni per il controllo del sistema di elaborazione per coordinare l’attuazione del procedimento secondo l'invenzione. Il riferimento ad "almeno un elaboratore" à ̈ evidentemente inteso a mettere in luce la possibilità che la presente invenzione sia attuata in forma modulare e/o distribuita.
Ulteriori caratteristiche vantaggiose dell’invenzione formano oggetto delle annesse rivendicazioni dipendenti.
Le rivendicazioni formano parte integrante dell’insegnamento tecnico qui fornito in relazione all’invenzione.
In varie forme di attuazione la rete di sensori senza fili comprendente una pluralità di nodi sensori, in cui i nodi sensori sono configurati per rilevare grandezze fisiche.
In varie forme di attuazione, almeno un parametro di configurazione identificativo per una densità dei servizi o risoluzione del monitoraggio viene impostato per l’intera rete di sensori e/o per ogni nodo sensore.
In varie forme di attuazione, ogni nodo sensore rileva quali grandezze fisiche vengono rilevate tramite rispettivi nodi sensori circostanti della rete di sensori, quali ad esempio nodi sensori che sono raggiungibili direttamente dal rispettivo nodo sensore o nodi sensori entro un raggio predeterminato. Successivamente, il nodo sensore verifica se uno dei nodi sensori circostanti rileva la stessa grandezza fisica e determinare in funzione del parametro di configurazione identificativo per la densità dei servizi o risoluzione del monitoraggio se la rilevazione di tale grandezza fisica deve essere attivata o disattivata.
Breve descrizione delle rappresentazioni annesse L’invenzione verrà ora descritta a puro titolo di esempio non limitativo con riferimento alle rappresentazioni annesse, in cui:
- la Figure 1 à ̈ stata descritta già in precedenza; e - le Figure 2 e 3 mostrano possibili forme di attuazione di una rete di sensori.
Descrizione particolareggiata di forme di attuazione Nella seguente descrizione sono illustrati vari dettagli specifici finalizzati ad un’approfondita comprensione delle forme di attuazione. Le forme di attuazione possono essere realizzate senza uno o più dei dettagli specifici, o con altri metodi, componenti, materiali ecc. In altri casi, strutture, materiali o operazioni noti non sono mostrati o descritti in dettaglio per evitare di rendere oscuri vari aspetti delle forme di attuazione.
Il riferimento ad “una forma di attuazione†nell’ambito di questa descrizione sta ad indicare che una particolare configurazione, struttura o caratteristica descritte in relazione alla forma di attuazione à ̈ compresa in almeno una forma di attuazione. Quindi, frasi come “in una forma di attuazione†, eventualmente presenti in diversi luoghi di questa descrizione, non sono necessariamente riferite alla stessa forma di attuazione. Inoltre, particolari conformazioni, strutture o caratteristiche possono essere combinati in un modo adeguato in una o più forme di attuazione.
I riferimenti qui utilizzati sono soltanto per comodità e non definiscono dunque l’ambito di tutela o la portata delle forme di attuazione.
Come menzionato in precedenza, lo scopo dell’invenzione à ̈ quello di ottimizzare i consumi energetici all’interno di una rete di sensori. In particolare, i nodi sensori secondo la presente invenzione sono in grado di determinare autonomamente e in collaborazione con i nodi vicini, quali sensori devono essere attivati per garantire una densità dei servizi o risoluzione del monitoraggio determinata, o viceversa quali sensori possono essere disattivati per mantenere una densità dei servizi o risoluzione del monitoraggio determinata.
La Figura 2 mostra un tipico scenario di una rete di sensori che ha sostanzialmente la stessa architettura come descritto già in precedenza con riferimento alla Figura 1.
Anche in questo caso, la rete di sensori, quale ad esempio una rete WiFi mesh, comprende nodi sensori dotati di sensori e/o attuatori. Ad esempio, nella forma di attuazione considerata, sia il nodo A sia il nodo B comprendono un rispettivo sensore di temperatura 30.
Nella forma di attuazione considerata, ogni nodo sensore pubblica o mette a disposizione per un’eventuale esportazione i servizi presenti sul rispettivo nodo.
Ad esempio, nel caso in cui la rete di sensori sia basata sul protocollo N.A.A.W. o un protocollo analogo dal punto di vista funzionale, il protocollo di comunicazione comprende un insieme limitato di comandi e associati messaggi atti a consentire di configurare i nodi della rete. Per esempio, il protocollo comprende un numero limitato di comandi di configurazione che consentono di modificare parametri e/o file di configurazione presenti sui nodi della rete. Ad esempio, i comandi di configurazione forniti possono essere:
- “GET†per richiedere il valore di una variabile;
- “SET†per richiede di impostare il valore di una variabile; e
- “REALTIME†richiede l’esecuzione di un’operazione in tempo reale (realtime) sul nodo della rete.
In una forma di attuazione, tali comandi sono trasmessi per mezzo di messaggi, anch'essi in numero limitato, scritti, ad esempio, in formato XML (eXtensible Markup Language) e in forma standardizzata del tipo:
<request>
<reqType>GET</reqType> <elementIp>10.20.33.12</elementlp> <name>/proc/net/arp</name> <regexp>[!CDATA[(([0-9A-F]{2}:*){6})]</regexp> <delimeter>,</delimeter>
<value></value>
</request>
dove il campo
- “ReqType†contiene i comandi “GET†, “SET†, o “REALTIME†;
- “elementIp†ha come contenuto l’indirizzo IP del nodo della rete;
- “name†ha come contenuto, in caso di comando “GET†o “SET†, il nome del file di configurazione da accedere, e in caso di comando “REALTIME†il commando o programma da eseguire;
- “regexp†ha come contenuto un’espressione regolare per formattare variabili presenti sui nodi prima di inviarle indietro al nodo richiedente, quale ad esempio il server della rete;
- “delimiter†indica un delimitatore nel caso in cui le variabili siano più di una; e
- “value†ha come contenuto, per il comando “SET†, la variabile da scrivere nel file “name†, per il comando REALTIME gli argomenti utilizzati per avviare il comando “name†.
Quanto sopra descritto consente di eseguire funzioni di provisioning, assurance, upgrade e diagnosi sui singoli nodi di accesso della rete secondo quanto descritto in dettaglio nella domanda WO2008/010248 e nella documentazione della tecnologia N.A.A.W.
Di conseguenza, ogni nodo à ̈ in grado di rilevare quali servizi sono attivi sui nodi circostanti. Ad esempio, nella forma di attuazione considerata, il nodo A può inviare un messaggio ai nodi circostanti e richiedere tramite il commando “GET†quali sensori sono collegati ai rispettivi nodi sensori.
Tale interrogazione può essere effettuata al momento in cui il nodo si attiva e/o periodicamente. Inoltre, invece di utilizzare un protocollo di interrogazione del tipo “pull†, ogni nodo può anche pubblicare tramite un protocollo del tipo “push†, ad esempio tramite messaggi del tipo broadcast, i sui servizi disponibili e/o attualmente attivi.
Di conseguenza, dopo una fase iniziale di rilevazione (discovery) dei servizi disponibili nella rete, un nodo può determinare quali servizi sono disponibili sui nodi circostanti e il nodo può valutare quali dei propri servizi devono essere tenuti attivi e messi a disposizione.
Ad esempio, nella forma di attuazione considerata, nel caso in cui la distanza fra i nodi A e B sia breve e il dato campionato sia sostanzialmente uguale, uno dei due nodi può disattivare il suo sensore di temperatura e utilizzare il dato fornito dall’altro nodo.
Ad esempio, nella forma di attuazione considerata, quando un nodo viene attivato, il nodo rileva tramite tecniche note le identificazioni dei nodi circostanti. Successivamente, il nodo determina per ogni nodo circostante quali servizi sono disponibili e stima, ad esempio in base alla potenza di radiazione ricevuta, la distanza tra se stesso e il rispettivo nodo. Infine, il nodo confronta il tipo dei servizi messo a disposizione dai nodi circostanti con i propri servizi e determina in funzione delle rispettive distanze stimate ed un valore di configurazione indicativo per una densità dei servizi o risoluzione del monitoraggio determinata quali dei propri sensori devono essere attivati e/o quali sensori possono essere disattivati.
In una forma di attuazione, ogni servizio ha un proprio valore di configurazione indicativo per una rispettiva densità dei servizi o risoluzione del monitoraggio. Ad esempio, in questo modo, la temperatura potrebbe avere un’elevata risoluzione di monitoraggio, mentre per la posizione potrebbe essere sufficiente che soltanto un unico sensore Global Positioning System (GPS) sia attivo per l’intera rete.
In una forma di attuazione, il o i valori di configurazione indicativi per le densità dei servizi o risoluzioni del monitoraggio sono impostabile, ad esempio tramite i comandi “GET†e “SET†descritti in precedenza.
La Figura 3 mostra una forma di attuazione della rete dopo la fase iniziale in cui vengono identificati autonomamente i servizi da mantenere attivi sui singoli nodi.
Ad esempio, nella forma di attuazione considerata:
- il nodo A Ã ̈ un nodo del tipo gateway che fornisce servizi di accesso e comunicazione ad un wide area network (WAN), quale ad esempio internet, tramite una connessione a banda larga 40, quale ad esempio una linea Digital Subscriber Line (DSL);
- il nodo B ha attivato il suo sensore di temperatura 30;
- il nodo C ha attivato un servizio 42 che configura il nodo C come nodo di accesso (access point) configurato per fornire servizi di accesso e comunicazione ad una pluralità di dispositivi utente;
- il nodo D ha attivato un sensore di posizione 32, quale ad esempio un ricevitore GPS, e un sensore di radiazione 34, quale ad esempio un sensore di luminosità;
- il nodo E à ̈ un nodo del tipo gateway di fallback, vale a dire un gateway ausiliario con una bassa velocità di connessione, che fornisce servizi ausiliari di accesso e comunicazione alla wide area network (WAN), quale ad esempio internet, tramite un dispositivo di comunicazione mobile 44, quale ad esempio un modem Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) o High Speed Downlink Packet Access (HSDPA); inoltre il nodo E ha anche attivato un servizio 42 che configura il nodo E come nodo di accesso (access point) configurato per fornire servizi di accesso e comunicazione a una pluralità di dispositivi utente; e
- il nodo F ha attivato un sensore di livello acqua 36 ed un attuatore su idrovora 38.
Quindi la soluzione qui descritta permette di creare reti di sensori e attuatori in modo semplice grazie alla caratteristica di autoconfigurazione della rete.
Questo permette anche di ridurre i costi di installazione della rete che potrebbe anche essere creata in modalità temporanea, ad esempio per la gestione di situazioni di crisi ambientali.
Inoltre, grazie alla possibilità di impostare i rispettivi parametri di controllo a livello di rete tramite un server centrale, la densità e la risoluzione dei servizi della rete possono essere modulate automaticamente in tempo reale e il consumo energetico viene ottimizzato perché soltanto i servizi necessari vengono accesi e i servizi inutilizzati vengono spenti.
La disattivazione di servizi inutilizzati permette anche di ridurre ulteriormente il consumo energetico perché la trasmissione di dati ambientali ridondati può essere evitata. Infatti, tale disattivazione dei servizi può anche risultare in una disattivazione di singoli nodi o anche di porzioni della rete, in cui i nodi disattivati possono verificare periodicamente eventuali riconfigurazioni dei parametri di controllo e/o variazioni nella struttura della rete stessa, quale ad esempio l’addizione o rimozione di nodi.
Naturalmente, fermo restando il principio dell’invenzione, i particolari di costruzione e le forme di realizzazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto descritto ed illustrato a puro titolo di esempio, senza per questo uscire dall'ambito della presente invenzione, così come definito dalle rivendicazioni che seguono.

Claims (10)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per gestire una rete di sensori senza fili comprendente una pluralità di nodi sensori (A..F), in cui detti nodi sensori (A..F) sono configurati per rilevare grandezze fisiche, in cui il procedimento comprende le fasi di: - impostare almeno un parametro di configurazione identificativo per una densità dei servizi o risoluzione del monitoraggio, - rilevare per almeno un nodo sensore (A..F) quali grandezze fisiche vengono rilevate tramite rispettivi nodi sensori (A..F) circostanti di detta rete di sensori, - verificare per detto almeno un nodo sensore (A..F) se detto almeno un nodo sensore (A..F) à ̈ configurato per rilevare una grandezza fisica che viene anche rilevata tramite uno di detti rispettivi nodi sensori (A..F) circostanti, e - determinare in funzione di detto parametro di configurazione identificativo per una densità dei servizi o risoluzione del monitoraggio se detto almeno un nodo sensore (A..F) deve attivare o disattivare la rilevazione di detta grandezza fisica che viene anche rilevata tramite detti rispettivi nodi sensori (A..F) circostanti.
  2. 2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, in cui detto rilevare per almeno un nodo sensore (A..F) quali grandezze fisiche vengono rilevate tramite detti rispettivi nodi sensori (A..F) circostanti di detta rete di sensori comprende le fasi di: - inviare a detti nodi sensori (A..F) circostanti una richiesta, e - ricevere da detti nodi sensori (A..F) circostanti informazioni che permettono di identificare quali grandezze fisiche vengono rilevate tramite detti rispettivi nodi sensori (A..F) circostanti.
  3. 3. Procedimento secondo la rivendicazione 2, comprendente le fasi di: - determinare per detto almeno un nodo sensore (A..F) le identificazioni dei rispettivi nodi sensori (A..F) circostanti, e - inviare ad ogni nodo sensore (A..F) circostante una rispettiva richiesta.
  4. 4. Procedimento secondo una delle precedenti rivendicazioni, in cui ogni nodo sensore (A..F) pubblica ad istanti temporali predeterminati informazioni che permettono di identificare quali grandezze fisiche vengono rilevate tramite il nodo sensore (A..F).
  5. 5. Procedimento secondo una delle precedenti rivendicazioni, comprendente la fase di: - impostare per una pluralità di grandezza fisiche rilevabili tramite detta rete di sensori rispettivi parametri di configurazione identificativi per rispettive densità dei servizi o rispettive risoluzioni del monitoraggio,
  6. 6. Nodo sensore per una rete di sensori comprendente un ricetrasmettitore per una comunicazione senza fili, almeno un sensore (30, 32, 32, 36) configurato per rilevare grandezze fisiche, ed un’unità di controllo configurato per: - rilevare quali grandezze fisiche vengono rilevate tramite rispettivi nodi sensori (A..F) circostanti di detta rete di sensori, - verificare se detto nodo sensore (A..F) comprende un sensore (30, 32, 32, 36) configurato per rilevare una grandezza fisica che viene anche rilevata tramite uno di detti rispettivi nodi sensori (A..F) circostanti, e - determinare in funzione di un parametro di configurazione identificativo per una densità dei servizi o risoluzione del monitoraggio se detta rilevazione di detta grandezza fisica che viene anche rilevata tramite detti rispettivi nodi sensore (A..F) circostanti deve essere attivata o disattivata.
  7. 7. Nodo sensore secondo la rivendicazione 6, in cui detta unità di controllo à ̈ configurato per: - ricevere tramite detto ricetrasmettitore detto parametro di configurazione identificativo per una densità dei servizi o risoluzione del monitoraggio.
  8. 8. Nodo sensore secondo la rivendicazione 6 o la rivendicazione 7, in cui detto ricetrasmettitore à ̈ un ricetrasmettitore Wireless Fidelity
  9. 9. Rete di sensori comprendente una pluralità di nodi sensori secondo una delle rivendicazioni 6 a 8.
  10. 10. Prodotto informatico caricabile nella memoria di almeno un elaboratore e comprendente porzioni di codice software per attuare il procedimento secondo una delle rivendicazioni 1 a 5.
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