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, supervisionate dal docente e basate sull'utilizzo di software open source (TinyOS e simulatori per WSN).

Teaching Methods

This course is based on classroom lectures and supervised lab activities designed to introduce design and simulation tools for wireless sensor networks, e.g. TinyOS.

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

L'esame consiste nella redazione di un elaborato finale e in una successiva prova orale. L'elaborato di fine corso mira a verificare la capacità dello studente di applicare autonomamente gli strumenti introdotti durante il corso. L'elaborato finale 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. La valutazione dell'elaborato è espressa in trentesimi e si basa sulla originalità della soluzione tecnica proposta nell'elaborato, sulla capacità della soluzione di rispettare le specifiche tecniche e sulla capacità dello studente di presentare e descrivere adeguatamente e con un linguaggio tecnico idoneo la soluzione ideata. L'elaborato dovrà essere discusso durante la prova orale. La prova orale è basata sulla discussione dell'elaborato e su domande a risposta aperta mirate a verificare le conoscenze dello studente, la proprietà di linguaggio e la capacità di applicare le conoscenze acquisite utilizzando i corretti approcci metodologici. La valutazione della prova orale è anch'essa in terntesimi e il voto finale è ottenuto dalla media aritmetica delle valutazioni ottenute nella prova orale e nell'elaborato finale. Non sono previste prove in itinere.

Assessment

The exam consists in a final project followed by an oral test. The final project is focused in either solving a design problem related to hardware or software modules for WSNs or performing simulations of WSN techniques. The project is assigned with the aim to evaluate the student's capacity to autonomously apply the knowledge and skills necessary to solve the proposed design problem. The project is assigned to one or more students (up to 3) at least three weeks before the exam day. The evaluation of the final project, scored out of thirty, takes into account: the originality/novelty of the technical solution, agreement level with technical specifications, presentation quality and technical soundness. The final project will be discussed at the beginning of the oral exam. The oral test focuses on presentation of the final project followed by at least two questions with open-ended answers with the aim of verifying student's knowledge and skills on WSNs and his/her ability to apply the acquired knowledge using the correct methodological approaches. The evaluation of the oral test is scored out of thirty and the final score is obtained as the arithmetic mean of the scores achieved for final project and oral test. That are no ongoing tests during the course. ​​​​​​​

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. - IL LIVELLO FISICO: interfacciamento di sensori (conversione A/D, interfacce seriali, codifica di sorgente), 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, CSMA/CA, SMAC, BMAC, XMAC, TMAC), lo standard IEEE 802.15.4, LoRa, protocolli di livello rete (classificazione, metriche, IPv4/6, AODV, CTP, LEACH, RPL), protocolli di livello trasporto e applicazione (UDP, TCP, 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 NODO SENSORI IN 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, protocolli AM e BLIP. - SIMULATORI PER WSN: TOSSIM, WSNet e 6TiSCHsimulator - PROGETTO DI FINE CORSO: realizzazione di una WSN multihop 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. - THE PHYSICAL LAYER: Sensor interfaces (A/D conversion, serial interfaces, source coding), wireless channel models, ISM bands, modulation techniques, spread spectrum and channel coding. - WSN PROTOCOLS: MAC layer protocols (taxonomy, CSMA/CA, SMAC, BMAC, XMAC, TMAC), IEEE 802.15.4 and its evolution; LoRa; network protocols (taxonomy, QoS metrics, IPv4/6, flooding, AODV, CTP, LEACH, RPL), transport and application protocols (UDP, TCP, 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, AM and BLIP protocols and API interfaces. - WSN SIMULATORS: TOSSIM, WSNet and 6TiSCHsimulator. - FINAL PROJECT: design and deployment of a multihop WSN for environmental monitoring applications.