Obiettivi Formativi

Acquisire le conoscenze sui concetti basilari relativi alle reti di sensori wireless, dall'architettura dei nodi sensori ai principali standard di comunicazione e protocolli usati in tale tipologia di reti. Fornire allo studente le capacità per progettare una WSN per applicazioni di monitoraggio, elaborazione e trasmissione di dati e segnali in ambienti industriali. Sviluppare le capacità di apprendimento al fine di applicare, anche autonomamente, i linguaggi di programmazione e i tool usati per la realizzazione di reti sensori wireless. Tramite le attività di laboratorio lo studente potrà inoltre affinare le proprie abilità comunicative, l'autonomia di giudizio nelle scelte progettuali e la capacità di lavorare in gruppo.

Learning Goals

To understand the fundamental concepts of wireless sensor networks, i.e. architectures, communication standards and protocols; To provide the student with the ability to design wireless sensor networks for performing monitoring, processing, and communication tasks in industrial environments; To develop independent learning skills related to languages and software tools for programming and deploying wireless sensor networks. Laboratory activities provide the student with the opportunity to improve his/her communication skills, autonomy in design choice and ability to work in a team.

Metodi didattici

Il corso si svolge attraverso lezioni frontali ed esercitazioni pratiche basate sull'utilizzo di software open source (TinyOS e simulatori per WSN). Le esercitazioni sono supervisionate dal docente e mirate a valutare il livello di apprendimento in itinere dello studente.

Teaching Methods

This course is based on classroom and lab activities designed to introduce design and simulation tools for wireless sensor networks, e.g. TinyOS. Students are recommended to actively attend lectures and classroom exercises. Participation to lab activities will be reflected in grading.

Prerequisiti

Concetti di base sulla conversione analogico/digitale, sul campionamento dei segnali e sull'elaborazione dei segnali digitali. Conoscenze di base sui linguaggi di programmazione.

Prerequisites

Basic knowledge on analog / digital conversion, sampling theory and digital signal processing. Basic knowledge on programming languages are strongly recommended.

Verifiche dell'apprendimento

Le conoscenze e la capacità dello studente di applicarle utilizzando i corretti approcci metodologici sono verificate attraverso: 1) la realizzazione di un elaborato di fine. L'elaborato è assegnato al singolo studente, o a anche ad un gruppo di studenti (fino ad un massimo di tre), di norma tre settimane prima della prova di esame, ed ha come obiettivo l'implementazione di moduli (hardware o software) o la simulazione di tecniche per reti di sensori wireless. 2) una prova finale orale basata sulla discussione dell'elaborato e su domande a risposta aperta. La valutazione dell'elaborato si basa sulla originalità della soluzione tecnica proposta nell'elaborato (25%), sulla capacità della soluzione di rispettare le specifiche tecniche (50%) e sulla capacità dello studente di presentare e descrivere adeguatamente la soluzione ideata (25%). Il voto finale è dato dalla media aritmetica del voto ottenuto per l'elaborato e del voto della prova orale.

Assessment

The learning assessment is achieved in two phases: 1) a final project assigned with the aim to design a hardware or software module or simulate techniques for WSNs. Project is assigned to one or more students (up to 3) at least three weeks before the exam day. 2) an oral examination, mostly based on a short presentation of the final project and questions with open answers, with the main aim of evaluating student's knowledge and skills on WSNs. The final project score takes into account: the originality/novelty of the technical solution (25%), agreement level with technical specifications (50%) and presentation quality (25%). The final score is obtained as the arithmetic mean of the scores achieved for the final project and oral examination.

Programma del Corso

Introduzione: evoluzione delle reti dati per il controllo e l'automazione industriale, requisiti delle reti per applicazioni industriali, tecnologie wireless per l'automazione industriale. Reti di sensori wireless (WSN): architetture, topologie e applicazioni delle WSN; peculiarità, vantaggi e fattori di merito delle WSN; architettura e funzionalità dei nodi sensori; esempi di nodi commerciali e piattaforme per IoT; analisi dei consumi energetici di un nodo sensore. Interfacciamento di sensori: conversione A/D, interfacce seriali, codifica di sorgente. Il livello fisico delle WSN: modello del canale wireless, bande ISM, tecniche di modulazione, tecniche di spread spectrum e codifica di canale. Protocolli per WSN: - protocolli di livello MAC: classificazione ed esempi di protocolli MAC (CSMA/CA, SMAC, BMAC, XMAC, TMAC), lo standard IEEE 802.15.4. - i livelli superiori dello stack protocollare: protocolli di livello rete (classificazione, metriche, IPv4/6, flooding, AODV, CTP, LEACH, SPEED, Breath, RPL), trasporto (UDP, TCP) e applicazione (MQTT, CoAP). Standard industriali per WSN: ZigBee, WirelessHART, ISA100.11a, WIA-PA, 6LowPAN/Thread. Sistemi operativi per WSN: funzionalità dei S.O. per WSN, principali sistemi operativi per WSN, TinyOS Programmazione di nodi sensori mediante TinyOS: componenti, configurazioni, moduli e interfacce, gestione delle perifieriche (led, timer e ADC), duty-cycling (LPL), trasmissione e ricezione di pacchetti, comunicazioni Mote-Mote e Mote-PC, BLIP. Simulatori per WSN e tecniche di gestione (aggregazione dati, localizzazione, sincronizzazione e sicurezza). Progetto e realizzazione di una rete WSN per applicazioni di monitoraggio ambientale.

Course Syllabus

Introduction: evolution of networks for industrial automation and control, network requirements and challenges for industrial applications, overview of wireless technologies for industrial automation and control. Wireless sensor networks (WSN): architectures, topologies and applications; challenges, advantages and performance metrics; architecture and main functions of sensor nodes; examples of commercial sensor nodes and IoT platforms; node power consumptions analysis. Sensor interfaces: A/D conversion, serial interfaces, source coding. The physical layer: wireless kennel models, ISM bands, modulation techniques, spread spectrum and channel coding. WSN protocols: - MAC layer protocols: taxonomy and examples (CSMA/CA, SMAC, BMAC, XMAC, TMAC), IEEE 802.15.4. - upper layer protocols: network protocols (taxonomy, QoS metrics, IPv4/6, flooding, AODV, CTP, LEACH, SPEED, Breath, RPL), transport protocols (UDP, TCP) and application protocols (MQTT, CoAP). Industrial WSN standards: ZigBee, WirelessHART, ISA100.11a, WIA-PA, 6LowPAN/Thread. Operating systems for WSN: O.S. functions and examples, TinyOS TinyOS programming: components, configurations, modules and interfaces, peripheral device management (leds, timers, ADC), duty-cycling (LPL), packet transmission and reception, Mote-to-Mote and Mote-to-PC communications, BLIP. WSN simulators and management techniques (data aggregation, localization, synchronization and security issues). Final project example: design and deployment of a WSN for environmental monitoring applications.