Wireless Sensor Network (WSN) in agricoltura

L’agricoltura di precisione fonda la sua esistenza sulla possibilita’ di registrare ed interpretare differenti parametri ambientali acquisiti mediante l’uso di sensori distribuiti generalmente con una geometria regolare, all’interno dell’area da coltivare. Tali sensori “trasmettono” le informazioni ad un “cervello” che le elabora allo scopo di intraprendere la decisione che piu’ ritiene corretta. Elaborazioni che possono essere talvolta eseguite in maniera del tutto automatizzata.

Una rete di monitoraggio in un’area di coltivazione puo’ essere ottenuta mediante l’utilizzo di tecnologie senza fili, ovvero Wireless. Le Wireless Sensor Network (WSN) o reti di monitoraggo senza fili possono essere utilizzate in maniera proficua in agricoltura di precisione soprattutto per i numerosi vantaggi che possono offrire, prima fra tutti l’assenza di cavi di trasmissione.

I sensori distribuiti sul campo misurano vari parametri che spaziano sia a parametri atmosferici o del suolo, sia a parametri legati alla salute della pianata. Le informazioni da esse ottenute possono essere d’ausilio alla scelta di operazioni quali l’irrigazione, l’uso di fertilizzanti o pesticidi, per la prevenzione di malattie etc.

Com’è strutturata una WSN

In una WSN “l’unita’” che si occupa di acquisire e trasmettere il dato

prende il nome di “nodo“. Il design dell’architettura del sistema WSN e’ cruciale per la longevita’ della stessa rete.

Un tipico esempio di architettura hardware di un nodo wireless e’ mostrato in fig. 1.

Nodo

fig.1 Nodo

In cui è possibile distinguere 1) la presenza di un microcontrollore, che gestisce le operazioni di trasformazione e trasmissione del segnale proveniente dal sensore, 2) un

modulo di memoria con possibilita’ di salvare localmente il dato, 3) un sistema di alimentazione che fornisce l’energia necessaria al funzionamento del nodo, 4) un’interfaccia In/Out di collegamento con sensori o con attuatori (ad esempio valvole per irrigazione etc), 5) un modulo di comunicazione radio, che permette il collegamento tra il nodo e il “coo

rdinatore” 6) un’antenna.

Il dispositivo radio come detto ha lo scopo di stabilire una comunicazione senza fili tra il nodo e il cordinatore (o richiedente il dato), e deve soddsfare determinate caratteristiche soprattutto in termini di consumo energetico (anche se ormai queste limitazioni possono essere facilmente superate con l’uso di pannelli solari) di velocita’ di trasmissione del dato, di “affidabilita’” nella trasmissione, e  di distanza utile di tras

missione, quest’ultima ottenuta mediante l’utilizzo di antenne a guadagno variabile.

Ma cio’ che un nodo fa e’ quello di acquisire paramentri da sensori, ovvero da dispositivi che trasformano una grandezza fisica in elettrica interpretabile dal nodo. Esistono due tipi di sensori, attivi che richiedono una “energizzazione” per funzionare o passivi. Tipici esempi di sensorisitica passiva sono in grado di misurare: temperatura, pressione, umidita’, velocita’ e direzione del vento, gas, specie chimiche, umidita’ del terreno etc.

Lo sviluppo hardware di un nodo e’ una condizione “necessaria ma non sufficiente” allo sviluppo di una WSN. Egualmente importante e’ l’utilizzo di un protocollo di trasmissione responsabile dell’interconnessione tra il nodo e una rete esterna (ad esempio internet).

Non ci occuperemo qui in maniera approfondita dei differenti protocolli di trasmissione, ma basterà ricordare che tali protocolli possono essere suddivisi sommariamente in due classi: lower layer e upper layer, sviluppati e standardizzati da diversi istituti. Un protocollo low-layer è stato sviluppato sotto la responsabilita’ dell’IEEE che con lo standard 802.15.4 si e’ focalizzato allo sviluppo di soluzioni a basso consumo energetico . Il protocollo IEEE 802.15.4 definisce due tipi di dispositivi full-function device FFD e reduced-function device RFD, le cui differenze si basano sulle funzionalita’ in grado di fornire e sul ruolo che possono svolgere all’interno del network, una piu’ alta capacita’ di calcolo e in generale funzioni piu’ complete per FFD.

Usando FFD e RFD simultaneamente in uno stesso network e’ possibile ottenere due geometrie:

  • Star, la quale permette una diretta comunicazione tra dispositivi del network;
  • Peer-to peer;
Star network

fig. 2 Geometrie WSN

Data management e storage

Esistono diverse strategie per il salvataggio dei dati ottenuti da un nodo in una WSN.

Centralizzato: una delle piu’ semplici, dove ogni nodo trasmette il dato ad una base station dove il dato viene salvato ed utilizzato per le elaborazioni.

Locale: dove un nodo a piu’ alto livello ha lo scopo di acquisire e salvare il dato provenienbte da altri nodi. Da un punto di vista prettamente economico, il modello centralizzato ha un costo praticamente nullo, d’altro canto ha una piu’ alta richesta “energetica” e potrebbe creare ‘congestioni” in WSN di grosse dimensioni.

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