WIRELESS SENSOR NETWORKS FOR REAL-TIME APPLICATIONS IN INDUSTRY 4.0

Negli ultimi anni, l'implementazione dei sistemi di comunicazione wireless in ambienti industriali è notevolmente aumentata, pertanto sono state proposte ad-hoc Industrial Wireless Sensor Network (IWSN). Le IWSN dovranno supportare una vasta gamma di applicazioni in tempo reale in cui i nodi, ad esempio robot o umani, interagiscono tra loro e con i macchinari. Una delle sfide sarà l'integrazione delle IWSN con il paradigma di Industria 4.0. Di conseguenza, miliardi di oggetti, dotati di sensori e interfacce radio, arricchiranno le industrie con l'obiettivo di raccogliere ed elaborare dati, consentendo un uso più efficiente delle risorse e una migliore qualità della vita per i lavoratori. Il paradigma dell’Industria 4.0 richiede anche il supporto per la mobilità (sia dei lavoratori che dei dispositivi), supportando nel contempo le comunicazioni in tempo reale. Tuttavia, i vincoli delle comunicazioni in tempo reale imposti dalle applicazioni industriali rendono il supporto alla mobilità piuttosto impegnativo. Ad esempio, la topologia di una rete costituita da nodi mobili può cambiare più rapidamente del tempo di convergenza del suo algoritmo di routing, causando ritardi imprevedibili e perdita di pacchetti. Ad oggi, dato l'elevato numero di applicazioni industriali e vincoli da affrontare, non esiste una soluzione adatta a tutti, ma piuttosto una pletora di soluzioni verticali specifiche per l'applicazione. Tra queste, Zigbee, WirelessHART e ISA100.11a, tutti basati sullo standard IEEE 802.15.4, che si traducono quindi in un contesto e un mercato estremamente frammentati. I requisiti in termini di mobilità imposti dall’Industria 4.0 non possono essere soddisfatti da nessuna delle soluzioni sopra menzionate. I problemi di cui sopra potrebbero essere superati rendendo programmabili le reti di sensori wireless e gestendo il piano di controllo in modo centralizzato. Recentemente è stato proposto il paradigma Software Defined Networking (SDN) per risolvere problemi analoghi nel dominio cablato. La separazione del piano di controllo dal piano dati è il fattore distintivo di SDN. In altri termini, il controllo è implementato nel software e disaccoppiato dall'hardware. Inoltre, SDN consente di riutilizzare le risorse e aumentare la capacità della rete di reagire alle modifiche della topologia, poiché il controller ha una vista sempre aggiornata della topologia di rete. Grazie a questa architettura, il controller ha la possibilità di selezionare costantemente il percorso migliore per i pacchetti. Il lavoro presentato in questa tesi si concentra principalmente sulla modalità Time Slotted Channel Hopping (TSCH), definita nello standard IEEE 802.15.4-2015. TSCH è uno dei meccanismi di accesso al canale più diffuso e adatto alle IWSN. TSCH offre latenza dei pacchetti limitata, alta affidabilità, scalabilità e velocità di trasmissione fino a 250 Kbit/s, ma non supporta la mobilità in modo nativo. Per questo motivo, in questa tesi viene proposto un nuovo stack protocollare, basato su SDN e TSCH, per l'interconnessione di sensori mobili in un ambiente industriale. Lo stack protocollare proposto è conforme ai requisiti di mobilità, affidabilità e tempestività imposti dall'ambiente industriale. Inoltre, il lavoro mostra che l'applicazione di una tecnica di clustering migliora le prestazioni e la scalabilità della rete. Un'altra sfida è supportare le applicazioni con bit rate elevate nelle IWSN per l’Industria 4.0, poiché, come è stato evidenziato negli esperimenti riportati, le bit rate osservate da un nodo sensore con un'applicazione di streaming che utilizza IEEE 802.15.4 è di circa 42 kbps quando funziona in modalità non-beacon-enabled ed è di circa 4 kbps usando la modalità beacon-enabled. Pertanto, anche i modesti sistemi di monitoraggio basati su IWSN che utilizzano la trasmissione di dati grezzi possono saturare la larghezza di banda disponibile. Grandi quantità di dati trasmessi comportano anche che il ricetrasmettitore radio sia in modalità attiva per un periodo di tempo significativo. Poiché il trasmettitore radio è spesso il componente che consuma più energia, grandi volumi di trasmissione limitano la durata del nodo. Per far fronte a questi aspetti, nella seconda parte della tesi viene utilizzato bluetooth mesh (BM), uno standard per ambienti industriali, che consente velocità di trasmissione superiori a TSCH (fino a 1 Mbit/s), ma non garantisce ritardi limitati. BM consente una facile creazione di reti mesh di grandi dimensioni senza connessione utilizzando un meccanismo di propagazione ad inondazione controllata, in cui i nodi relay trasmettono i messaggi ricevuti a tutti i vicini fino a quando il messaggio non raggiunge la sua destinazione. Questo modello, tuttavia, rende le reti BM inclini agli effetti di broadcast-storm, che possono ostacolare la scalabilità del protocollo. Una selezione appropriata dei nodi relay è quindi di massima importanza per controllare il traffico di rete e migliorare le prestazioni della rete. In particolare, il lavoro di tesi affronta la scelta degli algoritmi di selezione dei relè da utilizzare nelle reti BM. La selezione dei nodi relè consente di mantenere la copertura di rete selezionando solo un sottoinsieme di nodi che fungono da relè, consentendo in tal modo un numero maggiore di nodi che funzionano in modalità a basso consumo. Le tecniche di selezione dei relè incidono fortemente sulle prestazioni della rete IWSN e consentono di ridurre il consumo energetico, che è un altro requisito fondamentale per le IWSN.

Grantor dc:publisher

Università degli studi di Catania

Year dc:date

2020

Author dc:creator

• RENO, MARCO

Contributors dc:contributor

• LO BELLO, Lucia

• INDUSTRY 4.0, WIRELESS SENSOR NETWORKS, REAL-TIME APPLICATIONS, SOFTWARE DEFINED NETWORKING, BLUETOOTH MESH, 802.15.4 TSCH
• INDUSTRIA 4.0, RETI DI SENSORI WIRELESS, APPLICAZIONI IN TEMPO REALE, SOFTWARE DEFINED NETWORKING, BLUETOOTH MESH, 802.15.4 TSCH

Statement dc:rights

• info:eu-repo/semantics/openAccess
• license:PUBBLICO - Pubblico con Copyright
• license uri:iris.PUB02

Language dc:language

ita

Handle dc:identifier

https://hdl.handle.net/20.500.11769/581824

OAI identifier oai:identifier

oai:www.iris.unict.it:20.500.11769/581824