Una rete di sensori wireless, spesso abbreviata in WSN (wireless sensor network), è un insieme di sensori distribuiti su un’area che misurano una grandezza fisica (temperatura, vibrazione, livello dell’acqua, qualità dell’aria, se una porta è aperta) e inviano le letture via radio a un punto di raccolta, che le passa a un software dove le persone possono vederle e intervenire. Fino ai sensori non arriva nessun cavo. La maggior parte funziona a batteria per anni.

Il termine indica due cose piuttosto diverse, ed è per questo che le ricerche restituiscono risultati così eterogenei. I corsi universitari descrivono reti di minuscoli nodi che si inoltrano i messaggi a vicenda, salto dopo salto. La maggior parte delle installazioni commerciali realizzate oggi ha un aspetto diverso: migliaia di sensori che comunicano direttamente con pochi ricevitori a lungo raggio. Quale architettura sia adatta dipende dal sito, e quella scelta determina costi, autonomia della batteria e fino a che punto la rete può crescere.

In breve

  • Una rete di sensori wireless collega via radio sensori a batteria a un software, senza cablaggi verso ogni punto di misura.
  • I suoi componenti sono i nodi sensore, i gateway o le stazioni base, un network server e un’applicazione.
  • Le reti mesh inoltrano i messaggi da un nodo all’altro, mentre le reti a stella inviano ogni lettura direttamente a un gateway a lunga distanza.
  • Per le grandi installazioni industriali e ambientali, la scelta abituale sono le radio a lungo raggio come LoRaWAN e mioty.

Topologia di una rete di sensori wireless

Ogni rete di sensori wireless ha gli stessi quattro livelli, qualunque radio utilizzi:

  • I nodi sensore misurano e trasmettono. Un nodo riunisce in un unico involucro un sensore, un piccolo microcontrollore, una radio e una batteria.
  • I gateway o le stazioni base ricevono i segnali radio e li inoltrano tramite Ethernet, Wi-Fi o una connessione mobile.
  • Un network server controlla, decifra ed elimina i duplicati dei messaggi, e tiene traccia di quali dispositivi appartengono alla rete.
  • Un’applicazione memorizza le letture, crea i grafici e decide che cosa deve succedere quando un valore esce dall’intervallo previsto.

La topologia descrive come comunicano tra loro i primi due livelli, e le forme più comuni sono tre.

In una topologia mesh, i nodi passano i messaggi ai nodi vicini finché il messaggio non raggiunge il gateway. Zigbee, Thread e lo standard industriale WirelessHART funzionano così. La rete mesh è efficace per aggirare le pareti all’interno di un edificio, perché nessun nodo deve arrivare lontano. Il prezzo è il consumo: un nodo che inoltra il traffico degli altri deve restare spesso in ascolto, quindi i nodi di inoltro sono di solito alimentati dalla rete elettrica, mentre i nodi a batteria stanno ai margini.

In una topologia a stella, ogni nodo comunica direttamente con un gateway. L’IoT cellulare e le radio a lungo raggio come LoRaWAN e mioty usano questa forma. I nodi si attivano solo per trasmettere, il che mantiene lunga l’autonomia della batteria, e un solo gateway può coprire chilometri anziché metri.

LoRaWAN usa una variante spesso chiamata star-of-stars (stella di stelle): uno stesso messaggio di un sensore può essere ricevuto da più gateway contemporaneamente, e il network server ne conserva una copia ed elimina i duplicati. Questa sovrapposizione è utile, perché un nodo al limite della copertura di un gateway si trova spesso ben dentro quella di un altro.

Le topologie ad albero o a cluster, in cui gruppi di nodi riferiscono a un capogruppo locale che inoltra verso l’alto, si trovano soprattutto nella ricerca e in alcuni sistemi industriali proprietari.

Protocolli per reti di sensori wireless

La scelta del protocollo dipende dalla portata. I protocolli a corto raggio coprono una stanza o un piano: Bluetooth Low Energy per dispositivi indossabili e beacon, Zigbee e Thread per edifici e abitazioni, e Wi-Fi quando c’è alimentazione disponibile e i volumi di dati sono elevati. I protocolli a lungo raggio, raggruppati sotto il nome LPWAN (Low-Power Wide-Area Network), coprono un campus, un quartiere o un’azienda agricola.

Dominano tre famiglie LPWAN. NB-IoT e LTE-M funzionano sulle reti degli operatori mobili e richiedono un abbonamento per ogni dispositivo. LoRaWAN funziona nello spettro sub-GHz senza licenza, su gateway installati dall’utente o da un fornitore, e ha il catalogo più ampio di sensori pronti all’uso. mioty, standardizzato da ETSI come TS 103 357, usa anch’esso lo spettro sub-GHz senza licenza, ma suddivide ogni messaggio in molti brevi burst radio inviati su frequenze e in istanti diversi. La stazione base riesce a ricostruire un messaggio anche quando una parte di quei burst va persa, e questo rende mioty particolarmente valido dove migliaia di sensori condividono una banda affollata.

Per le grandi installazioni, il confronto pratico è tra scelta dei dispositivi e densità. LoRaWAN offre più modelli di sensore per quasi ogni tipo di misura. mioty è progettato per un numero molto elevato di dispositivi per stazione base e per ambienti radio rumorosi. In molti progetti non serve scegliere, perché le due tecnologie possono funzionare l’una accanto all’altra.

Qualunque sia il protocollo, l’autonomia della batteria dipende in sostanza dal tempo in aria (time on air). Un sensore non consuma quasi nulla mentre dorme e spende la maggior parte della propria energia mentre la radio trasmette, quindi le domande che contano sono quanto spesso invia dati, quanti byte trasmette e quanto dura ogni trasmissione. Lunga portata a bassa velocità di trasmissione significa trasmissioni più lunghe. In LoRaWAN, un sensore lontano dal gateway usa uno spreading factor più alto, che arriva più lontano ma tiene accesa la radio molte volte più a lungo per lo stesso messaggio. Le reti usano l’adaptive data rate per spostare i sensori vicini a un gateway su trasmissioni più brevi e meno dispendiose. Aggiungere un gateway vicino a un gruppo di sensori lontani può allungarne l’autonomia oltre a migliorarne il segnale.

Su Kilo, un network server LoRaWAN è integrato nella piattaforma, e mioty funziona tramite il Kilo mioty Service Center open source da ospitare sui propri server oppure tramite mioty integrato in Kilo Cloud, dove si aggiunge un connettore mioty e si collegano le proprie stazioni base senza dover gestire un network server proprio. Le letture di entrambi alimentano le stesse dashboard, regole e allarmi, così un sensore di perdite d’acqua LoRaWAN e un contatore mioty della stessa organizzazione compaiono uno accanto all’altro. Se la rete combinerà radio diverse, conviene confrontare ogni famiglia di sensori con le connessioni di dispositivi supportate da Kilo prima di definire il piano dei gateway.

Che cos’è una rete di sensori industriale?

Una rete di sensori industriale monitora macchine e processi: vibrazione e temperatura di motori e pompe, pressione nelle tubazioni, livelli nei serbatoi, stato delle valvole. L’idea non è nuova. Gli impianti di processo usano da decenni segnali cablati 4–20 mA, e due standard wireless, WirelessHART (IEC 62591) e ISA100.11a, sono stati sviluppati appositamente per l’automazione di processo con reti mesh nella banda a 2,4 GHz.

Ciò che è cambiato è il retrofit. Posare nuovi cavi in un impianto in funzione è costoso e spesso richiede un fermo impianto, quindi molti stabilimenti oggi aggiungono sensori wireless a batteria ad apparecchiature che non sono mai state monitorate, come le centinaia di piccoli motori, ventilatori e pompe che non è mai valsa la pena cablare.

I siti industriali rendono la trasmissione radio più difficile rispetto agli uffici. Le strutture in acciaio riflettono e bloccano i segnali, gli inverter e le saldatrici producono disturbi elettrici e la banda a 2,4 GHz è spesso affollata da Wi-Fi e Bluetooth. Le radio sub-GHz come LoRaWAN e mioty hanno lunghezze d’onda maggiori, che aggirano gli ostacoli meglio dei segnali a 2,4 GHz. Le aree pericolose aggiungono un ulteriore requisito: i sensori usati in atmosfere esplosive richiedono certificazioni come ATEX in Europa o IECEx a livello internazionale, e quella certificazione riguarda il dispositivo, non il protocollo radio.

Una rete di sensori industriale di solito trasmette valori di sintesi anziché segnali grezzi. Un sensore di vibrazione può inviare un valore di velocità e una temperatura ogni 15 minuti, sufficienti per accorgersi che una macchina sta uscendo dal suo intervallo normale senza scaricare la batteria.

Ecco come si traduce in numeri, a titolo di esempio. Uno stabilimento con 300 piccoli motori, ciascuno dotato di un sensore di vibrazione che trasmette ogni 15 minuti, produce 28.800 letture al giorno. È un carico modesto per un singolo gateway o una singola stazione base a lungo raggio. La maggior parte della pianificazione riguarda altro: quale valore considerare anomalo per ogni tipo di macchina, chi va avvisato quando un motore esce dal suo comportamento normale e chi sostituisce un sensore con la batteria scarica.

Come realizzare una rete di sensori ambientali

Una rete di sensori ambientali misura le condizioni all’aperto o su un’area estesa: la qualità dell’aria in città, le precipitazioni e l’umidità del suolo nei terreni agricoli, i livelli dell’acqua lungo un fiume, il rumore intorno a un cantiere. I sensori sono molto distanziati tra loro, spesso lontano dall’alimentazione elettrica e dagli edifici, il che rende la radio a lungo raggio a batteria la scelta naturale.

Una realizzazione tipica segue questi passaggi:

  1. Mettere per iscritto la domanda. “Il fiume sta salendo più in fretta del solito a monte del paese?” porta a sensori e posizionamenti diversi rispetto a “qual è la qualità media dell’aria nel quartiere?”.
  2. Scegliere i sensori e un intervallo di trasmissione. Un sensore di livello del fiume che trasmette ogni 15 minuti invia 96 letture al giorno; uno che trasmette ogni ora dura molto di più con la stessa batteria.
  3. Rilevare la copertura radio. Percorrere l’area a piedi o in auto con un tester da campo prima di installare qualsiasi cosa in modo permanente, perché colline, alberi ed edifici cambiano la portata in modo drastico.
  4. Installare i gateway in alto. Un gateway su una torre dell’acquedotto o sul tetto di un edificio comunale copre molto più territorio di uno a livello della strada. Dove non c’è la rete elettrica, i gateway possono funzionare con pannelli solari e una batteria.
  5. Verificare la precisione rispetto a un riferimento. I sensori di qualità dell’aria a basso costo subiscono una deriva e reagiscono all’umidità, quindi confrontarli con una stazione di monitoraggio ufficiale nelle vicinanze mostra quanto fidarsi di loro.
  6. Pianificare la manutenzione. I sensori all’aperto si sporcano, si riempiono d’acqua e a volte vengono rubati. Conviene mettere a budget una visita all’anno per ogni sito.

Supponiamo che una rete di allerta alluvioni abbia 12 sensori di livello dell’acqua lungo 20 km di fiume, ciascuno con una trasmissione ogni 15 minuti. Sono 1.152 letture al giorno, e due o tre gateway ben posizionati di solito bastano a coprire il tratto, a seconda del terreno. I sensori misurano di solito la distanza dalla superficie dell’acqua tramite radar o ultrasuoni; Kilo Electronics offre sensori di livello di questo tipo, e i sensori di qualsiasi fornitore compatibile funzionano allo stesso modo.

Domande frequenti sulle reti di sensori wireless

Che differenza c’è tra una rete di sensori e l’IoT?

Una rete di sensori è la parte che misura e trasmette: i sensori, la radio e i ricevitori. L’IoT, Internet of Things (Internet delle cose), è l’idea più ampia di collegare oggetti fisici a internet e al software, e comprende anche dispositivi che agiscono oltre a misurare, come prese smart, valvole e luci. Ogni progetto di monitoraggio IoT contiene una rete di sensori, ma non ogni rete di sensori è collegata a internet.

Da dove nascono le reti di sensori wireless?

Gran parte della ricerca iniziale nacque da progetti militari e accademici negli anni ’80 e ’90. Uno dei più noti fu Smart Dust all’Università della California a Berkeley, che studiava nodi sensore di dimensioni millimetriche. Le radio economiche e a basso consumo che hanno reso praticabili le reti commerciali sono arrivate più tardi, con IEEE 802.15.4 nel 2003 e con le tecnologie LPWAN negli anni 2010.

Quanto è sicura una rete di sensori wireless?

La sicurezza dipende dal protocollo e da come vengono gestite le chiavi. LoRaWAN cifra il traffico con AES-128 e usa chiavi separate per la rete e per l’applicazione, così l’operatore di rete può instradare un messaggio senza leggerne il contenuto. I punti deboli sono di solito operativi: chiavi predefinite mai cambiate, chiavi dei dispositivi conservate in fogli di calcolo condivisi e gateway lasciati con le password di fabbrica.

Fino a che distanza arriva una rete di sensori wireless?

Dipende dalla radio. Zigbee e Bluetooth coprono in genere qualche decina di metri per salto. Un gateway LoRaWAN raggiunge in genere 2–5 km in città e 15 km o più in campo aperto. La portata si riduce sempre all’interno degli edifici, sotto terra e dietro il cemento pieno, quindi le misure sul campo valgono più dei dati delle schede tecniche.

Cinque sensori di livello dell’acqua intorno a un sito, un solo gateway e una dashboard che li mostra tutti e cinque formano una piccola rete ambientale da osservare per qualche settimana. Si aggiunge una regola che invia un allarme quando un livello supera la soglia che interessa, e la si lascia funzionare abbastanza a lungo da capire qual è l’andamento normale prima di pianificare qualcosa di più grande. L’intera configurazione rientra nel piano gratuito di Kilo.