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Documento PDF - Università degli Studi di Padova

1. IL 75 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Distanza m Figura 46 Grafico dei valori di potenza misurati dal nodo 1 rispetto al nodo 2 4 4 3 Valutazione algoritmo di trilaterazione con dati reali Le osservazioni fatte in conclusione alla sezione precedente sono sup portate dal risultato ottenuto eseguendo l algoritmo di trilaterazione 64 REALIZZAZIONE SU DISPOSITIVI TMOTE SKY Distanza reale Distanza calcolata Errore commesso Tabella 33 Tabella relativa alle misure del nodo 1 rispetto al nodo 2 42 e Valori misurati a Valori medi 44 sedi Modello del canale v v Valori stimati 46 RSS dBm 00 50 52 54 Distanza m Figura 47 Grafico dei valori di potenza misurati dal nodo 2 rispetto al nodo 0 Tabella 34 Tabella relativa alle misure del nodo 2 rispetto al nodo 0 utilizzando i dati realmente misurati dai sensori Per ottenere questi risultati si sono fatte 20 misurazioni di distanze e per ogni misura zione si fatto andare l algoritmo di trilaterazione utilizzando come condizioni iniziali le posizioni stimate nel caso precedente In Figura 49 viene riportata la situazione ottenuta alla fine delle 20 iterazioni Si pu osservare che l algoritmo non riesce a convergere e viene ottenuto un errore medio di stima calcolato sulle 20 iterazioni 4 4 MODELLO DEL CANALE 40 e e Valori misurati Valori medi Modello del canale v v Valori stimati
2. coordinata X m Figura 49 Stima delle posizioni utilizzando i valori di potenza reali m reali e iniziali a a finali A 9 n coodrinata Y m 2 al y 6 coordinata X m Figura 50 Stima delle posizioni con i valori di potenza utilizzati in 14 4 5 ACCELEROMETRO riportato il risultato ottenuto mentre in Tabella 36 riportato l errore di stima del valore della distanza applicando il modello del canale al valore medio di potenza con i dati di 14 30 T TT T To TT TTT bi T e Valori misurati Valori medi Modello del canale v v Valori stimati Ww Ui D PS ul E 50 55 a i 65 8 70 9 O O 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Distanza m Figura 51 Valutazione del modello del canale con i dati di 14 Distanza reale Distanza calcolata Errore commesso Tabella 36 Tabella relativa alle misure di 14 Grazie alle buone prestazioni dei sensori ottenute in 14 questi sen sori erano stati impiegati per sviluppare una rete di sensori in grado di localizzarsi Tuttavia i risultati sperimentali ottenuti in questo lavoro di tesi por tano a concludere che i dispositivi non sono adatti al loro compi to all interno del progetto sviluppato quindi si pu verosimilmente presumere che questi sensori siano affetti da aging 4 5 ACCELEROMETRO L accelerometro un dispositivo in grado di rilevare o misurare un ac c
3. 0 37 0 69 Passo 5 Passo 10 36 ANALISI IN SIMULAZIONE Anche in questo caso come nel caso con 5cm l errore non si accumula lungo i passi ma diminuisce 2 0 x x avanzamento reale v v avanzamento stimato reali isl o iiaiai A A finali coordinata Y m me pa N A 6 e 7 o a 0 45 3 8 4 0 4 2 4 4 coordinata X m Figura 29 Evoluzione del nodo mobile con 10 passi da 5cm e 10cm x x avanzamento reale y v avanzamento stimato 2 0 reali e iniziali A A finali 0 5 Orion 3 A 0 5F coordinata Y m coordinata X m Figura 30 Evoluzione complessiva con 10 passi da 5cm e 6 10cm 3 2 2 Configurazione 1 Spostamento del nodo 6 con 5 passi da 10cm Nelle prossime due prove il nodo 6 viene spostato della stessa quan tit 50cm ma con meno passi 5 pi ampi 10cm Per valutare se l errore di stima si accumula lungo i passi viene calcolato l errore medio di stima per i passi 0 3 e 5 3 2 21 5cm Come per il caso con 10 passi da 5cm anche in questa prova utiliz zando 5cm come deviazione standard per l errore di distanza si ottengono dei discreti risultati nell inseguimento del nodo mobile Per quanto riguarda l accumulo di errore lungo i passi sono valide considerazioni analoghe alle prove precedenti infatti anche in questo caso l errore di stima diminuisce lungo i passi 3 2 CON
4. UNIVERSITA DEGLI STUDI DI PADOVA FACOLTA DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA MAGISTRALE IN INGEGNERIA MECCATRONICA TESI DI LAUREA MAGISTRALE SVILUPPO DI UNA RETE DI SENSORI WIRELESS PER IL MONITORAGGIO DI COLATE DETRITICHE TORRENTIZIE Relatore Reggiani Monica Correlatore Cenedese Angelo Laureando Marogna Simone 620778 IMC ANNO ACCADEMICO 2011 12 RINGRAZIAMENTI Desidero inanzitutto ringraziare la Professoressa Monica Reggiani che si sempre resa disponibile durante la preparazione della tesi rendendo questo momento meno carico d ansia Inoltre ringrazio sen titamente il Professor Angelo Cenedese ed il suo gruppo di ricerca al DEI sottolineando la particolare disponibilita di Felicini Nicholas che mi ha piti volte aiutato nella soluzione dei problemi incontrati durante lo sviluppo del progetto Un grazie di cuore per l affetto che mi hanno sempre saputo dare a tutti i miei famigliari in modo particolare ai miei genitori vi voglio bene e se sono arrivato fin qui lo devo a voi iii INDICE 1 INTRODUZIONE 1 1 1 Le colate detritiche torrentizie 1 1 1 1 Prevenzione e sistemi di allerta 4 1 2 Analisi del problema 6 1 3 Schema della tesi 7 SOLUZIONE AL PROBLEMA DELLA LOCALIZZAZIONE 9 2 1 Algoritmo di trilaterazione 9 2 1 1 Metodo di Newton 10 2 2 Implementazione 11 ANALISI IN SIMULAZIONE iF 3 1 Configurazioni statiche 20 3 1 1 Configurazione 1 disposizione ordinata dei mo te con 3 ancore 21 3 1 2 Configurazio
5. 45 50 RSS dBm un ul a e 65 70 730 1 gt 3 4 5 6 7 8 9 Distanza m Figura 48 Grafico dei valori di potenza misurati dal nodo 2 rispetto al nodo Distanza reale Distanza calcolata Errore commesso Tabella 35 Tabella relativa alle misure del nodo 2 rispetto al nodo 1 di 2 20m con una deviazione standard di Im Una prova analoga stata eseguita sui dati di 14 nella quale ven gono presentati dei buoni risultati In questo caso avendo a dispo sizione un set di dati limitati ad una disposizione dei nodi fissa la localizzazione stata eseguita una sola volta utilizzando come mo dello del canale quello calcolato in 14 In questo caso i risultati ottenuti sono stati buoni infatti da Figura 50 si pu osservare che l algoritmo riesce ad arrivare a convergenza Per questa prova l errore medio calcolato sull unica iterazione fatta e risulta essere di 0 24m Considerando che le distanze in gioco arri vano ad una decina di metri si pu desumere che questo sia un buon risultato Tale risultato supportato anche dall ottimo esito dell analisi del mo dello del canale A differenza di sez 4 4 2 in questo caso stata ese guita un analisi utilizzando l unico modello del canale calcolato in 14 valutando i valori di potenza di 4 coppie di mote In Figura 51 65 66 REALIZZAZIONE SU DISPOSITIVI TMOTE SKY reali e iniziali a a finali coodrinata Y m
6. Consumo di corrente MCU on Radio RX 21 8 23 ma Consumo di corrente MCU on Radio TX 195 21 ma Consumo di corrente MCU on Radio off 1800 2400 ma _ Consumo di corrente MCU idle Radio off 545 1200 ma _ Consumo di corrente MCU standby 51 210 ma 44 REALIZZAZIONE SU DISPOSITIVI TMOTE SKY PCB Antenna CC2420 Radio 2 4 GHz SMA IEEE 802 15 4 compliant Silicon Serial ID Coax SPI 1 0 1 wire 6 Humidity Power Temperature 0 SPI O P1 0 3 4 UART O 2 I O Sensor 2 and Ba Da snc ADC 0 3 6 7 6 Os D Sensor TI MSP430 Microcontroller cos TSR ADC 5 Sensor User SVSin JTAG 8 pin JTAG 7 UART 1 Reset SVS 2 pin 2mm IDC header P1 1 P2 2 TCK I2C 0 SPI O IDC header RX TX RTS DTR ST Flash USB 2 0 Write Protection 1024k 2 7V UART RS232 Functionality Figura 36 Diagramma a blocchi funzionali del modulo TMOTE Sky coppia di batterie Il chip possiede un oscillatore interno a controllo digitale DCO che pu operare fino a 8MHz Il DCO pu essere acceso dalla modalit sleep in 6us tuttavia a temperatura ambiente il tempo tipico di accen sione di 292ns Quando il DCO spento il processore utilizza un clock generato da un cristallo di quarzo da orologi da 32768Hz Oltre al DCO l MSP430 ha 8 porte ADC esterne e 8 interne Queste ultime possono essere utilizzate per leggere il termistore interno o monitorare il livello di tensione dell
7. con lo scorrimento dell acqua lungo i pendii la mobilitazione di in genti quantit di detriti che vengono incorporate in un debris flow Frequentemente questi fenomeni specie quando coinvolgomo masse di detriti modeste tendono ad esaurirsi sul posto ma in particolari condizioni morfologiche queste miscele semiliquide si incanalano e divengono elementi destabilizzanti per l alveo torrentizio Questo tipo di fenomeno che pu essere visto in maniera semplifi cata come una via di mezzo tra una frana ed una piena altamente imprevedibile nello spazio e nel tempo Nello spazio perch fenomeni di colata ricorrenti nella stessa localit possono deviare dal percorso usuale o perch un canale di colata si pu originare in luoghi mai minacciati prima a memoria d uomo Nel tempo perch in ambiente montano non sempre possibile individuare le celle temporalesche 200 m di lato che usualmente producono deflusso superficiale atto a generare colate di detrito Le colate detritiche consistono in miscugli di materiale fine sabbia limo e argilla e grossolano ghiaia e massi contenenti una quantit variabile di acqua cui si associano spesso tronchi d albero ed altri detriti vegetali Si forma cos una massa fangosa in sospensione ac quosa che si propaga lungo le aste torrentizie come un unico corpo senza separazione tra la fase solida e quella liquida Si tratta quindi di un fluido non newtoniano ci detemina l elevatissima capacit
8. lo spazio di memoria occupa to e soddisfando un ulteriore requisito Infatti il software che viene installato su un sensore occupa pochissima memoria Oltre che per piattaforme con memoria ridotta TinyOS stato progettato apposita mente per rispettare tutti i vincoli sulle risorse dei sensori wireless in primo luogo la scarsa disponibilit di energetica TinyOS stato realizzato secondo il modello ad eventi Questo mo dello si conf molto bene alle necessit di un sistema con memoria ridotta e sottoposto a continue sollecitazioni Infatti i nodi non di spongono dei requisiti necessari per lavorare come nei modelli tradi zionali nei quali viene allocata della memoria nello stack per ogni attivit obbligando il sistema a frequenti commutazioni di contesto Nel campo delle reti di sensori il consumo di energia un fatto re critico e l approccio basato sugli eventi utilizza il microprocessore nella maniera pi efficiente possibile Quando il sistema viene solleci tato da un evento questo viene gestito immediatamente e rapidamen te In effetti non sono permesse condizioni di blocco n attese attive che sprecherebbero energia inutilmente Quando invece non ci sono attivit da eseguire il sistema mette a riposo il microprocessore che viene risvegliato all arrivo di un evento 4 2 1 Componenti Il sistema operativo TinyOS sviluppato in nesC descritto in 4 3 ed composto da un insieme di librerie e applicazioni che posson
9. vono in modo simile ed robusta ai falsi allarmi infatti se per cir 1 3 SCHEMA DELLA TESI costanze accidentali passaggio di animali rotolamento di un singolo detrito ecc un sensore dovesse subire degli spostamenti il sistema sarebbe in grado di identificare l accidentalita dell accaduto Progetti di reti di sensori wireless sono gia stati sviluppati e studiati anche per la localizzazione 14 9 2 ma questo si differenzia in quanto considera un numero limitato si sensori fissi ed un elevato numero di sensori mobili 1 3 SCHEMA DELLA TESI La tesi cos suddivisa Il secondo capitolo presenta la soluzione del sistema dettagliando gli aspetti teorici dell algoritmo di localizzazione e la sua implemen tazione Il terzo capitolo riporta una analisi sperimentale volta ad individua re le caratteristiche minime che i dispositivi scelti per la realizzazione devono avere Il quarto capitolo illustra le caratteristiche hardware e software del dispositivo selezionato il software sviluppato per il suo uso e i risul tati sperimentali ottenuti L ultimo capitolo conclude la tesi presentando alcune considerazioni e possibili estensioni future SOLUZIONE AL PROBLEMA DELLA LOCALIZZAZIONE Come introdotto nel capitolo precedente lo scopo di questo lavoro di tesi quello di sviluppare un sistema di monitoraggio per colate detritiche attraverso una rete di sensori wireless posizionati nel pos sibile bacino di deflusso che so
10. Esempio per uno degli N test con 4 anc re disposizione ordinata e 10cm 26 Esempio per uno degli N test con 4 anc re disposizione ordinata e 20cm 26 Risultato della prova con condizioni iniziali e distanze del caso esempio di 3 1 1 3 ma con l aggiunta di un ancora a7 Esempio per uno degli N test con 4 ancore disposizione ordinata e 40cm 28 vii vill Elenco delle figure Figura 21 Figura 22 Figura 23 Figura 24 Figura 25 Figura 26 Figura 27 Figura 28 Figura 29 Figura 30 Figura 31 Figura 32 Figura 33 Figura 34 Figura 35 Figura 36 Figura 37 Figura 38 Figura 39 Figura 40 Figura 41 Figura 42 Figura 43 Figura 44 Figura 45 Situazione riassuntiva per uno degli N test con 4 anc re disposizione ordinata e 80cm 28 Esempio per uno degli N test con 3 anc re disposizione random e 5cm 29 Esempio per uno degli N test con 3 anc re disposizione random e 10cm 30 Situazione riassuntiva per uno degli N test con 3 anc re disposizione random e 20cm 31 Situazione riassuntiva per uno degli N test con 3 anc re disposizione random e 40cm 31 Situazione riassuntiva per uno degli N test con 3 anc re disposizione random e 80cm 32 Evoluzione del nodo mobile con 10 passi da 5cm e 5cm 34 Evoluzione complessiva con 10 passe da 5cm e 5 5cm 35 Evoluzione del nodo mobile con 10 passi da 5cm e 10cm 36 Evoluzione complessiva con 10 passi da 5cm e 10cm 36
11. Evoluzione del nodo mobile con 5 passi da 10cm e 5cm 37 Evoluzione complessiva con 5 passi da 10cm e 5cm 37 Evoluzione del nodo mobile con 5 passi da 10cm e 10cm 38 Evoluzione complessiva con 5 passi da 10cm e 10cm 39 Piattaforma TMOTE Sky 8 43 Diagramma a blocchi funzionali del modulo TMOTE SKY AA Mappatura dell indice RSSI in funzione della potenza del segnale ricevuto 8 46 Diagramma di radiazione dell antenna ad F invertita del TMOTE Sky 8 47 Architettura a componenti di un applicazione TinyOS 49 Semantica split phase 51 Esempio di grafo dei componenti 55 Stratificazione di un applicazione 56 Grafico dei valori di potenza misurati dal no do 0 rispetto al nodo 1 61 Grafico dei valori di potenza misurati dal no do 0 rispetto al nodo 2 62 Grafico dei valori di potenza misurati dal no do 1 rispetto al nodo 0 63 Figura 46 Figura 47 Figura 48 Figura 49 Figura 50 Figura 51 Figura 52 Figura 53 Figura 54 Figura 55 Figura 56 Figura 57 Grafico dei valori di potenza misurati dal no do 1 rispetto al nodo 2 63 Grafico dei valori di potenza misurati dal no do 2 rispetto al nodo 0 64 Grafico dei valori di potenza misurati dal no do 2 rispetto al nodo 1 65 Stima delle posizioni utilizzando i valori di po tenza reali 66 Stima delle posizioni con i valori di potenza utilizzati in 14 66 Valutazione del modello del canale con i dati di 14 67 Modello dell acceler
12. Questa serie di test stata eseguita per verificare l ipotesi fatta in 3 1 1 3 Si intende quindi verificare se l aggiunta di un ancora sul lato destro della configurazione evita stime in cui le posizioni verticali dei nodi sono ribaltate 3 1 21 5cm Come nel caso con sole 3 anc re questo test ha dato dei risultati sod disfacienti infatti il valore dell errore medio stimato su N prove ripor tato in Tabella 3 molto basso Nell esempio riportato in Figura16 si 23 24 ANALISI IN SIMULAZIONE 1 5 3 m reali e iniziali 4 a10 a a finali o A Lol a al a a8 10 z e A 4 E 8 ani A fe 3 2 amp 0 5 n B te B 3 7 o A e J o 0 0 al ac x mE P A 5 7 A A 9 A 0 5 0 2 8 10 coordinata X m Figura 14 Esempio per uno degli N test con 3 anc re disposizione ordinata e 40cm Tabella 7 Media e deviazione standard dell errore medio con 3 anc re disposizione ordinata e 5 80cm 1 5f i 10 i 3 of 8 m reali e iniziali 1 0 n 53 n af ad a0 a a finali AT 3 2 0 5 n 19 a 7 A E A gt 4 0 0 pet A gt 47 a n A ne o 0 5 110 16 1 0 18 1 5 4 0 2 4 6 8 10 coordinata X m Figura 15 Esempio per uno degli N test con 3 anc re disposizione ordinata ed 80cm 3 1 CONFIGURAZIONI STATICHE vede che le posizioni stimate sono andate a convergere sulle posizion
13. TORRENTIZIE Le colate detritiche torrentizie in inglese debris flow sono una par ticolare tipologia di fenomeno franoso e consistono in un processo naturale rappresentato dal trasporto di materiale solido da parte di un fluido in ambiente montano I debris flow sono colate con elevata concentrazione di materiale detritico compresa tra il 25 e il 70 del volume totale che si muove verso valle con velocit variabile da pochi cm s sino a decine di m s Valori tipici che si trovano spesso in letteratura vanno da 25cm s a 44m s Il materiale trasportato ha granulometria molto variabile Figura 1 ed un singolo fenomeno si manifesta con ondate successive Figura 2 dovute a temporanee ostruzioni del canale di trasporto Figura 1 Esempio della diversa granulometria dei detriti trasportati da un debris flow Le colate detritiche sono fenomeni diffusi nella maggior parte delle fasce climatiche dalle regioni desertiche a quelle alpine e rivesto no una notevole importanza sia per la loro influenza sull evoluzione 2 INTRODUZIONE c Terza ondata Figura 2 Esempio di tre ondate successive di un debris flow che ha colpito Virgen Austria nell agosto 2012 morfologica dei bacini idrografici nei quali avvengono sia per il ri schio potenziale che determinano sui conoidi alluvionali In queste aree aumenti improvvisi di disponibilit idrica dovuti comunemente a piogge intense o alla rapida fusione di nevai possono provocare
14. Tabella 33 Tabella 34 Tabella 35 Tabella 36 Tabella 37 Elenco delle tabelle Media e deviazione standard dell errore medio di stima per il nodo 6 con spostamento di 50cm in Spassi e 5cm 37 Media e deviazione standard dell errore di sti ma per il nodo 6 nei tre passi valutati con scm 37 Media e deviazione standard dell errore medio di stima per il nodo 6 con spostamento di 50cm in 5passi e l0cm 38 Media e deviazione standard dell errore di sti ma per il nodo 6 nei tre passi valutati con 10cm 38 Tabella riassuntiva con i valori di errore medio e deviazione standard per le due prove 39 Condizioni tipiche di funzionamento della piat taforma TMOTE Sky 43 Configurazioni della potenza di uscita per il CC2420 46 Tabella relativa alle misure del nodo 0 rispetto al nodo 1 61 Tabella relativa alle misure del nodo 0 rispetto al nodo 2 62 Tabella relativa alle misure del nodo 1 rispetto al nodo 0 62 Tabella relativa alle misure del nodo 1 rispetto al nodo 2 64 Tabella relativa alle misure del nodo 2 rispetto al nodo 0 64 Tabella relativa alle misure del nodo 2 rispetto al nodo 1 65 Tabella relativa alle misure di 14 67 Specifiche dell accelerometro ADXL335 3 70 XI INTRODUZIONE Lo scopo di questo lavoro quello di studiare e sviluppare un sistema alternativo e pi efficiente a quelli gi impiegati per il monitoraggio di colate detritiche torrentizie 1 1 LE COLATE DETRITICHE
15. considerare le righe della matrice delle distanze relati ve a questi nodi senza questo accorgimento non verrebbero quindi considerati i valori di distanza in esse contenuti 2 2 IMPLEMENTAZIONE Vettore di stato Didascalia Figura 8 Esempio di vettore didascalia e vettore di stato associato Una volta ottenuta la matrice F ne viene calcolata l inversa e viene applicata l equazione 4 per il calcolo di h questa un vettore nella forma 7 I valori contenuti in h vengono sommati alle coordinate dei nodi memorizzate nelle variabili membro della classe Le iterazioni continuano fino a quando la somma dei quadrati dell incremento diventa minore di un valore impostato in fase di compilazione o fino ad un numero massimo di iterazioni La prima condizione si formalizza con la seguente disuguaglianza 2 nNodi gt he lt E i 0 Il metodo void loc non restituisce valori ma opera direttamente sui membri della classe di conseguenza quando conclude la stima delle coordinate dei nodi queste sono gi memorizzate nelle variabili membro 15 ANALISI IN SIMULAZIONE Per valutare il comportamento dell algoritmo di trilaterazione in pre senza di errori nelle misure sensoriali stata compiuto uno studio in simulazione La prima serie di simulazioni ha l obbiettivo di valutare l algoritmo in condizioni statiche I nodi vengono posti in posizione fissa e si valuta la precisione dell algoritmo di trilaterazione in presen za di
16. di tesi si prefigge lo scopo di sviluppare un sistema d allarme ad evento basato sulla realizzazione di una rete di sensori wireless che attraverso misurazioni radio sono in grado di autoloca lizzarsi per monitorare la loro posizione e sono dotati di un accele rometro per misurare in modo pi immediato e preciso gli eventuali spostamenti Per un introduzione sulle reti di sensori si faccia riferi mento a 5 I vantaggi di questo sistema sono molteplici In primo luogo la faci lita di installazione sul campo infatti la rete composta di nodi fissi o nodi ancora che vanno posizionati insieme al PC che effettua i calcoli necessari per la localizzazione sulle sponde del canale di un possibile debris flow quindi in luogo sicuro e da nodi mobili che van no fissati a detriti di grandi dimensioni che potrebbero essere soggetti a spostamenti dovuti ad una colata La scelta di fissare i nodi mobili ai detriti di dimensione maggiore deriva dalla composizione di un de bris flow che come precedentemente detto ha un gradiente inverso di distribuzione granulometrica quindi i detriti di dimensione maggiore tendono ad essere mantenuti in superficie Un ulteriore vantaggio la capacit di operare in qualsiasi condizio ne atmosferica quindi anche con limitata visibilit dovuta a nebbie e durante la notte Inoltre essendo la rete composta da pi sensori risulta facile indivi duare una soglia d allarme ovvero quando pi sensori vicini si muo
17. essere esplicitato solo da una relazione con i valori di precipitazione Come conseguenza questi sistemi di allarme sono adatti per allertare il personale coinvolto nella gestione delle emer genze ma non per avvertire la popolazione Lo scopo degli avvisi d evento invece quello di fornire un allarme quando una colata detritica gi in corso In questo caso i sensori uti lizzati sono spesso gli stessi adottati per il monitoraggio di debris flow a scopo di ricerca perch oltre ad avvisare nel caso si verifichi una colata hanno la possibilit di immagazzinare dati utili per eseguire delle statistiche sull innesco di debris flow e sono ULTRASUONI RADAR E SENSORI LASER Misurano la fase del flus so il loro vantaggio la facilita con cui si riesce ad identificare le soglie d allarme pero devono essere posizionati sul canale e l installazione pu risultare difficile se il canale instabile GEOFONI E SISMOMETRI Misurano le vibrazioni del terreno causate dal flusso di detriti l installazione facile e sicura infatti i sen sori sono sepolti in luoghi stabili per pu essere molto difficile individuare le soglie d allarme ed hanno un alta probabilit di falsi allarmi dovuto ad altre fonti di vibrazione del terreno il passaggio di treni o camion cadute di massi ecc PENDOLI Rilevano il passaggio di detriti attraverso l oscillazione del pendolo un dispositivo semplice e robusto ma l installazio ne pu risult
18. fo rR 0 2 3 0 0 a 0 2 4 coordinata X m Figura 23 Esempio per uno degli N test con 3 anc re disposizione random e l0cm 33 3 3 20cm Anche per questa configurazione si pu dire che 5 20cm sia il limite minimo per non considerare pi molto attendibile la stima fornita dall algoritmo di triangolazione I risultati forniti per gli N test portano ad avere una media dell errore medio e una deviazione standard molto vicine a quelle delle due configurazioni viste precedentemente Tabella 15 Media e deviazione standard dell errore medio con 3 anc re disposizione random e 20cm Media errore medio Deviazione standard 3 1 3 4 40cm e 80cm Per questi due test non ci sono particolari osservazioni da fare Infatti confrontando i valori riportati in Tabella16 e in Tabella 17 con i valori ottenuti dalle corrispettive prove delle due configurazioni preceden ti si conclude che all aumentare dell errore di distanza introdotto la disposizione dei nodi non ha nessuna influenza sul risultato 1 0 coordinata Y m 0 0 0 5 3 1 CONFIGURAZIONI STATICHE 0 5 reali i e o iniziali P 10 imaia a n A a a finali i 4 6 10 A J A 8 a e 6 a 7 2 mn x x 8 A A a n al S 4 9 A A A gt o 0 2 8 10 4 coordinata X m Figura 24 Situazione riassuntiva per uno degli N test con 3 anc re disposizione random e 6 20c
19. gt as Timer0 uses interface Timer lt TMilli gt as Timerl uses interface Timer lt TMilli gt as Timer2 uses interface Leds uses interface Boot implementation event void Boot booted call Timer0 startPeriodic 250 53 54 14 20 22 24 26 30 REALIZZAZIONE SU DISPOSITIVI TMOTE SKY call Timerl startPeriodic 500 call Timer2 startPeriodic 1000 event void Timer0 fired call Leds led0Toggle event void Timerl fired call Leds ledlToggle event void Timer2 fired call Leds led2Toggle Il risultato finale la visualizzazione dei 3 bit meno significativi di un contatore incrementato ogni quarto di secondo Una configurazione un componente che si occupa di collegare tra loro altri componenti e di rinominare ed esportare interfacce Ossia collegare le interfacce utilizzate da alcuni componenti con le interfac ce pubblicate da altri componenti collegare un interfaccia utilizzata dalla configurazione con un interfaccia pubblicata dalla configurazio ne e delegare ad altri componenti l implementazione di interfacce dichiarate dalla configurazione Ogni applicazione deve avere una configurazione globale che de finisce i legami tra tutti i componenti di cui l applicazione compo sta Questa configurazione deve contenere una sezione di implemen tazione nella quale definisce tutti i componenti utilizzati tramite il comando components e specifica i co
20. influenza il risultato infatti l errore medio nelle due configurazioni con 3 anc re configu razioni e 3 sono molto simili Mentre si pu osservare che a parit di disposizione dei nodi configurazioni 1 e 2 l algoritmo si compor ta meglio all aumentare del numero di anc re essendo il sistema pi vincolato Per quanto riguarda il caso con l errore di misura delle distanze pari a 20cm si pu confermare l osservazione nella quale si considera tale caso come limite per la buona riuscita della triangolazione Si pu notare che l errore medio aumenta notevolmente rispetto ai casi con inferiore ed inoltre si comincia a perdere l influenza positiva del l aggiunta di un ancora Infatti confrontando gli errori medi delle tre configurazioni si osserva che mentre nei casi con uguale a 5 e 10 centimetri l errore della configurazione 2 la met rispetto all errore medio delle configurazioni 1 e 3 con uguale a 20 centimetri l errore della configurazione 2 seppur minore non molto diverso dalle altre due configurazioni 3 2 SECONDA SERIE DI SIMULAZIONI CONFIGURAZIONI DINA MICHE I risultati ottenuti nella sezione precedente portano a limitare le ana lisi successive a due soli valori di delta 5cm e 10cm Per l analisi di questa seconda serie di simulazioni eseguite per ve rificare la robustezza dell algoritmo all inseguimento di un eventuale spostamento dei nodi vengono riportati i valori di media e devia zi
21. pu essere modificata oppure a causa della difficolt di raggiungere alcuni punti del canale pu rivelarsi impossibile posizio nare i mote in modo ordinato e quindi essere costretti a collocarli in modo casuale 3 1 3 1 5cm Seppur con una media d errore maggiore rispetto al caso con 4 anc re anche con la disposizione random questo test ha prodotto degli ottimi risultati paragonabili al caso con 3 anc re e disposizione ordinata Tabella 13 Media e deviazione standard dell errore medio con 3 anc re disposizione random e 5cm Media errore medio Deviazione standard m reali s e iniziali a a finali 14 1 2 a5 1 0 a nm Pa 410 a 0 8 8 0 6 A z 0 4 7 n N N coordinata Y m Ww gt e 0 2L ee e 0 0 a 0 2 4 coordinata X m Figura 22 Esempio per uno degli N test con 3 anc re disposizione random e 5cm 3 1 3 2 lcm Con 10cm non ci sono notevoli peggioramenti rispetto al caso con 5 5cm Per quanto riguarda al confronto con le altre configurazioni le considerazioni sono anologhe al caso precedente 29 30 ANALISI IN SIMULAZIONE Tabella 14 Media e deviazione standard dell errore medio con 3 anc re disposizione random e 6 10cm Media errore medio 0 18 Deviazione standard 10 09 reali jniziali A a a finali 0 81 ig A 0 6 Fd 3 0 4 las coordinata Y m
22. rispettivamente un connettore IDC a 10 pin ed uno a 6 pin Il connettore a 10 pin quello principale esso fornisce l ingresso e l uscita di segnali digitali e analogici Le periferiche possono essere collegate utilizzando un cavo flat o progettando un circuito stampato che pu essere saldato direttamente al connettore fornendo un colle gamento robusto L altro connettore U28 fornisce due ulteriori ingressi analogici che se opportunamente riconfigurati via software possono essere usati come due uscite DAC da 12 bit Inoltre l ADC7 presente nel connet tore U28 pu anche agire come supervisore del voltaggio di alimen tazione mentre gli elementi dell interfaccia utente i pulsanti user e reset vengono esportati dal connettore per facilitarne l utilizzo e il packaging 4 1 6 Radio Il chip radio utilizzato dal TMOTE Sky per le comunicazioni wireless il CC2420 a basso consumo basso voltaggio e basso costo della serie Chipcon della Texas Instruments 11 Questo il componente di maggiore interesse per lo scopo di questo lavoro Il CC2420 conforme alle norme IEEE 802 15 4 e fornisce il livello fisico e alcune funzioni del livello MAC 13 Il chip totalmente pro grammabile infatti si pu settare sia in fase di compilazione che in real time il valore della potenza trasmessa e il canale di trasmissio ne La potenza di trasmissione pu essere impostata scegliendo tra 32 livelli da 0 a 31 ad ognuno dei quali corrispo
23. scritto in nesC e quando un applica zione viene compilata i componenti che la costituiscono vengono com pilati insieme ai componenti che formano TinyOS il risultato finale l intero software del sensore Questa prassi permette di risparmiare memoria ed energia per ha lo svantaggio di non essere particolar mente versatile poich non consente di installare due applicazioni sullo stesso nodo sensore e non prevede la possibilit di effettuare linking dinamico di librerie esterne 4 3 1 Moduli e configurazioni I componenti di nesC possono essere di due tipi moduli o configura zioni Un modulo un componente che implementa le interfacce che es so stesso dichiara definendo i comandi delle interfacce pubblicate e gli eventi delle interfacce utilizzate Per notificare un evento viene utilizzata la parola chiave signal mentre per chiamare un comando la parola chiave da utilizzare call Ogni modulo contiene il suo stato sotto forma di variabili definite in modo analogo al C Qui di seguito viene riportato un esempio di modulo nel quale vengono de finite le interfacce utilizzate 3 timer la gestione dei led e l interfaccia boot e vengono implementati gli eventi forniti da queste interfacce in particolar modo l evento booted avvia i timer in modo periodico definendo il periodo in millisecondi e gli eventi relativi all esaurirsi di un periodo di timer fanno lampeggiare un led module BlinkC uses interface Timer lt TMilli
24. tipicamente maggiore dell errore massimo ammissibile per la convergenza dell al goritmo di trilaterazione cio 30cm Errori cos elevati nel modello 62 REALIZZAZIONE SU DISPOSITIVI TMOTE SKY 42 e Valori misurati Valori medi Modello del canale v v Valori stimati 44 46 48 RSS dBm un ul N 54 56 58 Distanza m Figura 44 Grafico dei valori di potenza misurati dal nodo 0 rispetto al nodo 2 Tabella 32 Tabella relativa alle misure del nodo 1 rispetto al nodo 0 del canale possono portare come nel caso di Figura 44 47 al verifi carsi di una sorta di inversione nell ordine delle distanze infatti di stanze realmente pi piccole vengono calcolate attraverso il modello del canale maggiori di distanze realmente pi grandi Si pu concludere che questi sensori non sono adatti al loro ruolo all interno di questo lavoro cio misurare le distanze 4 4 MODELLO DEL CANALE 63 40 e e Valori misurati Valori medi Modello del canale v v Valori stimati 45 50h o o RSS dBm dh vI a 651 0 eeoeoeeneoeo e 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Distanza m Figura 45 Grafico dei valori di potenza misurati dal nodo 1 rispetto al nodo 0 45 e e Valori misurati m m Valori medi Modello del canale v v Valori stimati 50 RSS dBm h O Ui
25. un co mando su un componente di livello inferiore il comando avvia un task in questo componente e restituisce subito lo stato della chiamata al componente chiamante Quando il task chiamato nel componente di livello inferiore termina viene notificato un evento con i risultati al componente chiamante In Figura 40 riportata la semantica di quanto appena descritto dove ComponentA il componente chiamante e ComponentB il componen te che offre il servizio richiesto I due componenti coinvolti nell ope call Interface doSomething return SUCCESS eesecceseosecee Mia narareseceeseeseceneoseceeseeeeeeeeeece ceeee eeeeee fo rir Figura 40 Semantica split phase razione devono implementare le due parti dell operazione stessa in particolare il componente chiamato deve implementare il comando e il componente chiamante deve implementare l evento 4 2 3 Active messages L active messages una tecnologia molto leggera che implementa il livello data link del protocollo TCP IP controllando l accesso al mez zo trasmissivo e la comunicazione single hop tra i nodi della rete Essa permette la comunicazione tra i nodi se questi sono collegati dal mezzo trasmissivo Infatti le funzioni di routing vengono implemen tate a livello superiore L active messages non specifica particolari meccanismi di comunica 5I 52 REALIZZAZIONE SU DISPOSITIVI TMOTE SKY zione e prevede che ogni pacchetto sia un entit indipendent
26. 1 2 5 10cm Anche con questo valore di il risultato ottenuto stato buono come si pu notare dalla media dell errore riportata in Tabella 4 ma au menta decisamente la deviazione standard Questo porta a situazioni come quella in Figura 12 dove le posizioni finali stimate per alcuni nodi sono peggiori di quelle considerate come valore iniziale nodi 9 e 10 21 22 ANALISI IN SIMULAZIONE Tabella 4 Media e deviazione standard dell errore medio con 3 anc re disposizione ordinata e 10cm Media errore medio 0 18 Deviazione standard reali A iniziali 6 8 10 a a finali 8 10 A o ul ta Lo N n N coordinata Y m Ww 0 0 a n mn n 4 coordinata X m Figura 12 Esempio per uno degli N test con 3 anc re disposizione ordinata e 10cm 3 1 1 3 20cm Con questo test si comincia ad avere una media dell errore significati va infatti di 29cm quasi un terzo della distanza minima tra i nodi Tuttavia la Figura 13 risulta essere ingannevole infatti rapresenta un caso con errore medio di 71cm Un errore cos elevato giustifica to ricordando che il 99 7 dei valori su cui si calcola la media e la deviazione standard cadono in un intervallo di 30 con devia zione standard attorno alla media in questo caso in un intervallo 0 19m 0 77m stato scelto di riportare questo esempio perch rappresenta un problema di stima che si verifica ab
27. 4 anc re disposizione ordinata e 20cm 3 reali iniziali a a finali i n al a 28 10 Z AS A 4 e i A e 8 o E o e gt 3 2 0 5 n n oO re x A A g e U 1 5 7 9 9 0 0 J JA a n A a ni 3 A 7 0 5 0 2 4 6 8 10 coordinata X m Figura 18 Esempio per uno degli N test con 4 ancore disposizione ordinata e 20cm 3 1 CONFIGURAZIONI STATICHE ma con le stesse condizioni iniziali e con gli stessi valori di distanze l algoritmo evolve in modo diverso dal caso esempio con 3 anc re portando ad una stima che non presenti i mote con coordinate y pi basse sopra i mote in posizioni reali superiori Il grafico ottenuto riportato in Figura19 Come si pu facilmente notare la situazione non migliorata di con reali e iniziali a a finali coodrinata Y m 4 coordinata X m Figura 19 Risultato della prova con condizioni iniziali e distanze del caso esempio di 3 1 1 3 ma con l aggiunta di un anc ra seguenza il problema non da attribuire alla mancanza di un ancora 3 1 2 4 40cme d 80cm Come gi ci si aspettava valutando il test precedente aumentanto ulteriormente il valore dell errore aggiunto alle distanze l algoritmo non riesce a convergere ai valori esatti ottenendo una media d errore seppur minore al caso con 3 anc re molto elevata Tabella 11 Media e deviazione standard dell errore medio con 4 anc
28. 8 possibile suddi videre l eq 9 in due parti ottenendo N yd AAT n 00 2 i nai 10Y jy log di j 10log 5 di N pij Ab 2 i Prx i n vc 10P logy di dove con d si indica la i esima distanza considerata Sostituendo N con ear Ni E con vii LE indicando con Pa_x la k esima potenza misurata a distanza d ed utilizzando l ipotesi precedente mente fatta per cui Ni Nj n Vij 0 d si ottiene dando per implicita la base del logaritmo ATAJ n d 10n ear log d 10n 2 log d nY 10log d A b xa k Pi k fy Dey 10log di Pi_x 60 REALIZZAZIONE SU DISPOSITIVI TMOTE SKY Raccogliendo n da ATA 61 s diventa el d 10 1 log di Vik Pi k n 1 10 2 log di YS 10log di yg Xx 10log di Pi x I n _ d Or a log di a Via Dorsi 10 log di X 10log d s gt 10log d P _x _ d 10Y log di E log d me 10log d ear 10log d Pi 10 Ogni nodo quindi misura n valori di potenza per ogni mote nel suo raggio d azione e ne calcola la media memorizzandola in un ar ray per poi inviarla al PC per il calcolo del modello del canale I mote non hanno la possibilit di gestire numeri a virgola mobile per cui la media viene calcolata approssimando all intero pi vicino Que sta approssimazione non limitante infatti come precedentemente specificato l indice RSSI ha un accuratezza di 6dBm molt
29. C e Sfrutta lo standard industriale IEEE 802 15 4 per interagire per fettamente con altri dispositivi e Connettore di espansione compatibile con I C La Figura 35 riporta i due lati del modulo mentre la Figura 36 rap presenta il diagramma a blocchi funzionali Di seguito verranno descritte con maggior dettaglio alcune caratte ristiche dei mote per informazioni pi dettagliate si veda 8 4 1 1 Alimentazione Il modulo TMOTE Sky pu essere alimentato con due batterie di tipo AA Il modulo stato progettato per essere adatto al fattore di forma delle batterie AA L alimentazione pu essere compresa tra 2 1 e 3 6V DC tuttavia deve essere di almeno 2 7V quando si programma la me moria flash del microcontrollore e la memoria flash esterna Quando il modulo connesso alla porta USB per la programmazione o la comunicazione con il PC riceve l alimentazione da quest ultimo in questo caso viene alimentato con 3V Se il mote sempre connesso ad una porta USB il pacco batterie non necessario L alimentazione pu essere fornita anche dai pin 1 e 9 del connettore di espansione U2 descritto in 4 1 5 o dai terminali dedicati alla batte ria In nessun caso la tensione deve superare i 3 6V per evitare di danneg giare il microcontrollore la radio o altri componenti La tabella 28 mostra le condizioni operative tipiche del TMOTE Sky 4 1 2 Microcontrollore Il funzionamento a bassa potenza del modulo TMOTE Sky dovuto
30. Di conseguenza se il modello del canale viene calcolato sul luogo di utilizzo del sistema questo parametro non varia fa L asimmetria del canale dovuta a riflessioni non simmetriche ed modellizzabile come una variabile gaussiana a media nulla ver Il fast fading un fenomeno che provoca rapide fluttuazio ni del segnale ricevuto Mediando un insieme di N misure di potenza ricevute dal nodo i rispetto al nodo j in N istanti ravvicinati pi Ea pi k viene rimosso il suo effetto oil L offset del nodo ricevente dovuto a difetti di fabbricazione del chip radio Questo termine si pu considerare trascurabile Per maggiori informazioni riguardo ai parametri del modello comple to del canale si faccia riferimento a 14 Applicando queste semplificazioni al modello completo del canale si ottiene che la potenza media ricevuta diviene pu 3 10ylog o lxi x51 ha Xi di conseguenza necessario stimare solo i parametri 6 e y ed essen do la componente di asimmetria del canale una variabile aleatoria gaussiana possibile utilizzare uno stimatore ai minimi quadrati Si prenda una coppia di nodi i j e si effettuino un totale di N gt _ Nx misure di Pi con d N ottenute tenendo fermo il nodo i e spostando il nodo j in d distanze diverse alle quali vengo no raccolti gli Nx con k 1 d campioni Si definisce dunque il modello di regressione lineare by WI b A P A0 w 4 bN
31. EALIZZAZIONE SU DISPOSITIVI TMOTE SKY Tabella 37 Specifiche dell accelerometro ADXL335 3 Parameter SENSOR INPUT Measurement Range Nonlinearity Package Alignement Error Interaxis Alignement Error Cross Axis sensitivity SENSITIVITY Sensitivity at Xo ut Yout ZOUT sensitivity Change Due to Temperature ZERO g BIAS LEVEL 0g Voltage at Xgut Yout 0g Voltage at zo uT Og Offset vs Temperature NOISE PERFORMANCE Noise Density Xo ut Yout Noise Density ZOUT FREQUENCY RESPONSE Bandwidth Xo ut Yout Bandwidth Zo yt Re zt Tolerance Sensor Resonat Frequency SELF TEST Logic Input Low Logic Input High ST Actuation Current Output Change at XOUT Output Change at Yo yu T Output Change at Zo UT OUTPUT AMPLIFIER Output Swing Low Output Swing High POWER SUPPLY Operating Voltage Range Supply Current Turn On Time TEMPERATURE Operating Temperature Range Min Typ Each axis of full scale Each axis Vs 3V Vs 3V No external filter 1600 No external filter 550 32 15 5 9 Self Test O to Self Test 1 Self Test O to Self Test 1 Self Test O to Self Test 1 No load No load Vs 3V 350 No external filter 1 Max 85 Unit Yo Degree Degree Yo mV g C V V mg C ug VHzrms ug VHzrms uA C 4 5 ACCELEROMETRO deformazione della struttura viene misurata attraverso un condensa tore differenziale che consiste in due piastre indipendenti una fissa e l altra collegata alla mass
32. FIGURAZIONI DINAMICHE 37 Tabella 23 Media e deviazione standard dell errore medio di stima per il nodo 6 con spostamento di 50cm in Spassi e 5cm Deviazione standard Tabella 24 Media e deviazione standard dell errore di stima per il nodo 6 nei tre passi valutati con 5cm Je dol 0 57 0 29 Passo 3 0 18 0 40 Passo 5 0 21 0 52 m reali x x avanzamento reale 2 0 e iniziali v v avanzamento stimato 1 8 A A finali fi m A o r 7 Hi N 7 coordinata Y m e 7 0 8 0 6 3 7 3 8 3 9 4 0 coordinata X m Figura 31 Evoluzione del nodo mobile con 5 passi da 10cm e 5cm reali lt x avanzamento reale 2 0 e e iniziali v v avanzamento stimato A A finali 1 5 E gt 0 4 8 10 1 0 h A PL 3 A g 0 5 i S e 3 A 1 5 7 9 0 0 A A e e coordinata X m Figura 32 Evoluzione complessiva con 5 passi da 10cm e 5cm 38 ANALISI IN SIMULAZIONE 3 2 2 2 5 10cm Tabella 25 Media e deviazione standard dell errore medio di stima per il nodo 6 con spostamento di 50cm in 5passi e 10cm Deviazione standard Tabella 26 Media e deviazione standard dell errore di stima per il nodo 6 nei tre passi valutati con 10cm Passo 0 Passo 3 Passo 5 In questa prova non ci sono particolari osservazioni da fare infatti conferma quanto visto per la corrispettiva p
33. IBLIOGRAFIA 83 ELENCO DELLE FIGURE Figura 1 Figura 2 Figura 3 Figura 4 Figura 5 Figura 6 Figura 7 Figura 8 Figura 9 Figura 10 Figura 11 Figura 12 Figura 13 Figura 14 Figura 15 Figura 16 Figura 17 Figura 18 Figura 19 Figura 20 Esempio della diversa granulometria dei detri ti trasportati da un debris flow 1 Esempio di tre ondate successive di un debris flow che ha colpito Virgen Austria nell agosto 2012 2 Ripresa aerea della situazione di Vargas dopo il debris flow del 1999 3 Foto del debris flow che ha colpito Cancia nel 2009 3 Foto scattata da un abitante di Brentino Bellu no durante il debris flow del 2009 4 Installazione di una gabbia in localita Rosazza pochi chilometri a nord di Biella 5 Generico grafo rappresentante una distrubuzio ne dei nodi 9 Esempio di vettore didascalia e vettore di stato associato 15 Posizione dei nodi nelle prime due configura zioni 17 Posizione dei nodi per la configurazione 3 18 Esempio per uno degli N test con 3 ancore disposizione ordinata e 5 5 21 Esempio per uno degli N test con 3 ancore disposizione ordinata e 10cm 22 Esempio per uno degli N test con 3 anc re disposizione ordinata e 20cm 23 Esempio per uno degli N test con 3 anc re disposizione ordinata e 40cm 24 Esempio per uno degli N test con 3 anc re disposizione ordinata e 80cm 24 Esempio per uno degli N test con 4 anc re disposizione ordinata e 5cm 25
34. INYOS L antenna utilizzata dal mote un antenna a F invertita stampata sulla scheda Sebbene non abbia una radiazione perfettamente omni direzionale l antenna raggiunge i 50m all interno e i 125m all aper to In Figura 38 vengono riportati i diagrammi di radiazione dell an tenna quando il mote si trova in posizione verticale e orizzontale Kortsomtd Possrizati Figura 38 Diagramma di radiazione dell antenna ad F invertita del TMOTE Sxy 8 4 2 SISTEMA TINYOS TinyOS un sistema operativo open source progettato per reti di sen sori wireless La prima versione del sistema v0 43 stata rilasciata nel 2000 mentre l ultima v2 1 del 2008 TinyOS stato originaria mente sviluppato come progetto di ricerca dell Universit della Ca lifornia Berkeley ma la sua popolarit cresciuta fino ad avere una comunit internazionale di sviluppatori e utilizzatori Nelle tradizionali architetture hardware ci si trova a disporre di grandi quantitativi di risorse come la memoria la capacit compu tazionale e l illimitata fonte di energia Tale disponibilit di risorse viene a mancare quando si considerano reti di sensori dove ci sono problemi come le ridotte dimensioni la scarsa quantit di memoria le modeste capacit di elaborazione e soprattutto le fonti di energia limitate Questi problemi necessitano di soluzioni efficienti in partico lare per ridurre al massimo i consumi di energia Il sistema operativo T
35. La piattaforma mote TMOTE Sky stata progettata insieme al siste ma operativo TinyOS da un consorzio guidato dall Universit della California Berkeley in collaborazione con Intel Research ed prodot ta dalla MoteIV Coporation Nel 2007 MoteIV ha cambiato nome in Sentilla e ha interrotto la produzione e il supporto per la sua linea di prodotti Tmote in favore di una nuova piattaforma hardware pro gettata per le applicazioni Java Il TMOTE Sky un modulo wireless a bassissima potenza utilizzato in reti di sensori per applicazioni di monitoraggio e per la realizzazione di prototipi Le principali caratteristiche sono e Microcontrollore MSP430F1611 della Texas Instruments con in corporati 10KB di RAM e 48KB di memoria Flash e Memoria flash ST M25P80 da 1024kB e Chip radio Chipcon CC2420 della Texas Instruments compatibi le con IEEE 802 15 4 trasmette sui 2 4GHz con una velocit di trasmissione di 250kbps e Convertitori ADC e DAC a 12 bit integrati 41 42 REALIZZAZIONE SU DISPOSITIVI TMOTE SKY e Antenna integrata sul circuito con connettore SMA per anten na esterna opzionale L antenna integrata ha una copertura dichiarata di 50 m all interno e 125 m all esterno e Consumi di corrente compresi tra 5uA e 21mA e Velocit di ripresa dallo stato sleep inferiore ai 6us e Sensori di temperatura umidit e luce integrati e Connettore USB utilizzato per programmare il dispositivo e per scambiare dati con il P
36. Nell esempio i componenti Compo Interfaccia Application BB utilizzata Component C E pabblicata m Component e Figura 41 Esempio di grafo dei componenti nentD ComponentF e Application sono delle configurazioni infatti col legano tra loro gli altri componenti preesistenti Per esempio il Com ponentD fornisce un interfaccia che verr utilizzata da ComponentC e utilizza un interfaccia che viene fornita da ComponentF 4 3 3 Stratificazione dei componenti La Figura 42 mostra un esempio di stratificazione di un applicazione Ci che maggiormente interessa la relazione che intercorre tra i vari strati di un applicazione Questa relazione favorisce la modularit in fatti volendo modificare il protocollo di routing basta modificare solo i componenti appartenenti al blocco Routing layer Un discorso analo go valido se si vuole modificare la piattaforma hardware in quanto 56 REALIZZAZIONE SU DISPOSITIVI TMOTE SKY Application Sensing application Routing Messaging Packet Figura 42 Stratificazione di un applicazione un interrupt hardware viene tradotto in un evento software dai bloc chi pi bassi Quindi se si vuole sostituire il sistema di comunicazione sufficiente modificare i componenti del blocco RMF 4 3 4 Modello concorrente Un programma nesC non prevede una esecuzione lineare ma un ese cuzione divisa in task ed interruzioni hardware I task possono essere attivati da comandi ev
37. Out Ha due livelli di priorita uno per i task e uno pit per gli eventi che possono interrompere l esecuzione di un task Se la coda dei task vuota lo scheduler mette a riposo il microproces sore per evitare inutili sprechi di energia 4 2 2 Split phase operation In TinyOS la comunicazione tra componenti situati a livelli diversi avviene con operazioni Split phase cio in modo asincrono con accop piamento lasco Il meccanismo utilizzato sfrutta il modello ad eventi Accoppiamento lasco Consente l evoluzione di processi in modo indipendente con interazioni limitate 4 2 SISTEMA TINYOS per superare i limiti introdotti dal distributed callback sul quale il si stema operativo si basa Infatti il distributed callback una tecnica di comunicazione asincro na con la quale il cliente invia una richiesta al servente e prosegue nella propria elaborazione Il servente eseguito il servizio interrom pe il cliente richiamando un apposita operazione del cliente stesso per la restituzione dei risultati Il limite di questa tecnica il legame stretto presente tra cliente e servente che permette una comunicazio ne uno ad uno impedendo la realizzazione di un meccanismo di comunicazione tra un gruppo di clienti ed un gruppo di serventi In TinyOS quindi ogni operazione non banale diventa un opera zione split phase cio divisa in due funzioni la chiamata e il ritorno dei risultati Quando un componente effettua una chiamata di
38. Si definisce non newtoniano un fluido la cui viscosit varia a seconda dello sforzo di taglio che viene applicato 1 1 LE COLATE DETRITICHE TORRENTIZIE erosiva propria di questi fenomeni Inoltre i moti convettivi che si sviluppano all interno della massa tengono in superficie i massi di maggiori dimensioni o i tronchi d albero raccolti lungo il percorso e che vengono a concentrarsi sulla sommit del deposito formando dei gradienti inversi di distribuzione granulometrica Queste caratteristi che portano il fenomeno dei debris flow ad avere un consistente effetto sia in termini di erosione fondale che spondale In questo secondo ca so le conseguenze sono pi gravi in quanto l indebolimento di tratti di versante porta al crollo di ulteriori consistenti masse di materiale inoltre pu portare allo sviluppo di ulteriori fenomeni di innesco ed questo il motivo per cui i debris flow si presentano ad ondate succes sive durante le quali possibile che si verifichi la rimobilitazione del materiale precedentemente depositato La capacit distruttiva di questi fenomeni pu raggiungere livelli catastrofici come nel caso di Vargas cittadina del Venezuela nella quale il 15 dicembre 1999 un debris flow ha causato la morte di decine di migliaia di persone e distrutto 9000 abitazioni 4 In Figura 3 riportata una ripresa aerea della situazione della cittadina dopo l e vento Esempi meno clamorosi ma pi vicini alla nostra realt terri
39. WN pi 1 10log Ilxi x lh con b e Acli 8 II 1 10logio Ilxi x lIln dove il vettore aleatorio w a media nulla e varianza 07 sotto questa ipotesi si dimostra 12 che lo stimatore ai minimi quadrati risulta A Ors A A A b 9 4 4 MODELLO DEL CANALE 59 4 4 1 Calcolo del modello del canale In questo lavoro di tesi diversamente da quanto fatto in progetti pre cedenti 14 in cui viene calcolato un modello di canale unico per tutti i mote il modello calcolato per ogni coppia ordinata di mote in mo do da avere una maggiore precisione sulla stima della distanza tra i nodi Per non appesantire il codice dei sensori con il calcolo del model lo del canale questa operazione viene eseguita dal PC Questo porta per ad avere un notevole traffico di informazioni sul canale trasmis sivo infatti ogni mote deve inviare al PC tutti i valori relativi a tutte le misure effettuate verso tutti i mote Per ovviare a questo problema il calcolo del modello del canale eq 9 viene eseguito utilizzando i valori medi di potenza ricevuta cos ogni mote deve inviare al PC un solo valore la media della potenza ricevuta per ogni altro mote presente nel suo raggio d azione Di seguito viene dimostrato che sotto l ipotesi di aver circa lo stesso numero di misure per ogni distanza il calcolo dei parametri del cana le pu essere fatto utilizzando la media della potenza ricevuta Siano definiti il vettore b e la matrice A come in
40. a in movimento La piastra fissa viene ali mentata con un onda quadra L accelerazione devia la massa in movi mento e sbilancia il condensatore differenziale producendo un uscita la cui ampiezza proporzionale all accelerazione Tecniche di demo dulazione phase sensitive sono poi usate per determinare l ampiezza e la direzione dell accelerazione L uscita del demodulatore amplificata e viene portata fuori dal chip attraverso un resistore da 32kQ possibile scegliere la larghezza di banda dell accelerometro aggiun gendo dei condensatori all uscita del chip Questo filtraggio migliora la risoluzione di misura e aiuta a prevenire l aliasing L ADXL335 utilizza una singola struttura per misurare l accelera zione sui 3 assi Come conseguenza si ha una precisa l ortogonalit degli assi e una bassa sensibilit inter asse La sensibilit inter asse presente dovuta al disalineamento meccani co del sensore rispetto al package del chip questo disalineamento pu ovviamente essere calibrato a livello di sistema Le innovative tecniche di costruzione utilizzate per questo chip ga rantiscono delle buone prestazioni anche senza un circuito addiziona le per la compensazione delle variazioni di temperature Infatti non ci sono errori di quantizzazione o comportamenti non monotoni e l isteresi dovuta alla temperaturea molto bassa tipicamente meno di 3mg su un intervallo di temperatura da 25 C e 70 C 4 5 2 Inf
41. al la bassissima richiesta di potenza del microcontrollore MSP430F1611 6 dotato di 10kB di RAM 48kB di memoria flash e 128B di me moria per le informazioni Questo processore con architettura RISC a 16 bit ha consumi di corrente molto bassi sia in fase di lavoro che in fase di sleep ci permette al mote di funzionare per anni con la stessa 4 1 TMOTE SKY 43 Humidity Photosynthetically Temperature Active Radiation Sensor Sensor optional ba cara 0 otic al Total Solar utton on Radiation 6 pin expansion 0 pin expansion Sensor connector bt USB Transmit LED opfona USB i al oi ENO ooo Connector n si x WwW Y tuar AT 4w xl y i a RE O 0 ip Meenas 7 Internal rea es bpsreo 13339006 J css tna es var Senn ee v E ae USB R ceive LED Microcontroller pr SMA JTAG Digital switch duara Isolating USB from microcontroller optional a Vista dall alto Texas Instruments MSP430 F1611 48 bit silicon microcontroller serial ID 2 pin SVS connector 20L 10H y _ EOSO O AT6 W2 3 N Berkele USB Flash 2kB oscillator Flash 1MB b Vista dal basso Figura 35 Piattaforma TMOTE Sky 8 Tabella 28 Condizioni tipiche di funzionamento della piattaforma TMOTE SKY tin NM Max UNITA Tensione di alimentazione 2af 36 v Tensione di alimentazione durante la programmazione 2 7 36 V Temperatura di esercizio 85 e
42. are difficoltosa in quanto il pendolo deve essere montato sopra il canale SENSORI A FILO Rilevano i debris flow tramite la rottura del filo un dispositivo semplice e robusto ma necessita di essere ripristina to dopo ogni attivazione e ha un alta probabilit di falsi allarmi D INTRODUZIONE dovuti a circostanze accidentali passaggio di animali caduta di alberi ecc FOTOCELLULE Rilevano il passaggio di debris flow un tipo di sen sore senza contatto quindi non richiede il ripristino dopo ogni attivazione per non deve venire a contatto con il flusso quindi necessita di un attenta installazione VIDEOCAMERE Riconoscono il passaggio di debris flow l installazio ne facile e sicura la telecamera pu essere collocata accanto al canale per la presenza di nebbia o il verificarsi di colate di detriti durante la notte possono complicare l uso del sistema 1 2 ANALISI DEL PROBLEMA Un sistema d allarme ad evento stato sviluppato anche da un grup po di ricerca dell universit di Padova professor Carlo Gregoretti ed altri ricercatori del dipartimento TeSAF per il monitoraggio del ca nale Pomagagnon a Fiames piccola frazione del comune di Corti na d Ampezzo I sensori impiegati geofoni misuratori di livello ad ultrasuoni cavi a strappo telecamere ad infrarossi e pluviometri tra smettono le misure ad una centralina che in grado di stabilire se vi un fenomeno di colata in atto Questo lavoro
43. ata tra i nodi Formalmente ad ogni ripetizione viene eseguito il calcolo seguente SIE Ms M i i N MOTE dove rappresenta l errore medio N_MOTE rappresenta il numero dei nodi presenti 11 nel nostro caso e Ms M rappresenta la di stanza geometrica tra la posizione esatta M e quella stimata Ms per il nodo i ANALISI IN SIMULAZIONE Tabella 1 Coordinate dei mote nelle configurazioni 1 e 2 N mote x y o ancora O 1 1 ancora O o 2 anc ra 9 0 5 3 1 0 5 4 di i 5 3 0 6 4 1 7 5 8 6 1 9 7 0 10 ancora in conf 2 8 1 Tabella 2 Coordinate dei mote nella configurazione 3 o ancora o 1 1 ancora o O 2 anc ra 9 0 5 3 3 96 0 42 4 2 53 0 08 5 1 99 1 15 6 7 0 0 63 7 2 65 1 01 8 6 03 0 75 9 4 08 0 11 10 7 67 0 89 19 20 ANALISI IN SIMULAZIONE Dopo aver eseguito le N ripetizioni si calcola la media e la deviazione standard tra tutti gli N errori medi ottenuti in ogni test Come precedentemente introdotto la seconda serie di simulazioni ha l obbiettivo di valutare l algoritmo in condizioni dinamiche Per questa serie di simulazioni si sono posizionati i mote come in Figura 10 e si variata la posizione del mote 6 aumentando la sua ordinata di 50cm in pi passi Una prova stata fatta modificando la posizione del mote in 10 passi da 5cm e nell altra prova in 5 passi da 10cm l uno Per ognuno di questi passi stato utilizzato l algoritmo di trilaterazi
44. aver aggiunto a questo file le seguenti righe di configurazio sources list etc apt gedit e kE File Edit View Search Tools Documents Help E E Open v A Save lt gt Undo de WE Q Q TFE J sources list X 1 deb cdrom Ubuntu 11 10 _Oneiric Ocelot_ amd64 GNOME Shell Remix oneiric main restricted 2 deb cdrom Ubuntu 11 10 _Oneiric Ocelot_ amd64 GNOME Shell Remix dists oneiric main binary i386 3 deb cdrom Ubuntu 11 10 Oneiric Ocelot_ amd64 GNOME Shell Remix oneiric main restricted 4 deb cdrom Ubuntu 11 10 Oneiric Ocelot_ amd64 GNOME Shell Remix dists an eee eee 5 6 k 7 See http help ubuntu com community UpgradeNotes for how to upgrade to 8 newer versions of the distribution 9 deb http it archive ubuntu com ubuntu oneiric main restricted 10 deb src http it archive ubuntu com ubuntu oneiric main restricted 11 12 Major bug fix updates produced after the final release of the 13 distribution 14 deb http it archive ubuntu com ubuntu oneiric updates main restricted 15 deb src http it archive ubuntu com ubuntu oneiric updates main restricted 16 17 N B software from this repository is ENTIRELY UNSUPPORTED by the Ubuntu 18 team Also please note that software in universe WILL NOT receive any 19 review or updates from the Ubuntu security team 20 deb http it archive ubuntu com ubuntu oneiric universe 21 deb src http it archive ubuntu
45. bastanza frequen temente soprattutto per valori di alti Questa stima cos errata che porta ad avere i nodi con coordinate y pi basse superare i nodi in posizione reale superiore potrebbe essere dovuta alla presenza di un solo nodo anc ra sul lato destro Difatti avendo due mote fissi sul lato destro la posizione stimata dei nodi mobili pi vicini pi vincolata e quindi con meno errori 3 1 1 4 40cm e 80 Questi ultimi due test sono stati riportati insieme perch entrambi restituiscono una media dell errore alta Con 40cm si ottiene una media dell errore medio di 49cm che considerando le distanze minime tra i mote rende l algoritmo inutilizzabile 3 1 CONFIGURAZIONI STATICHE Tabella 5 Media e deviazione standard dell errore medio con 3 anc re disposizione ordinata e 20cm 7 m reali iniziali SI a a a finali 1 0 a a a a glo 0 5 n a coordinata Y m 0 0 a El n n 0 5 4 coordinata X m Figura 13 Esempio per uno degli N test con 3 anc re disposizione ordinata e 20cm Da notare Figura15 che come nel caso riportato per il test con 6 20cm rappresenta una stima difettosa a causa forse della mancanza di un ulteriore punto fisso Tabella 6 Media e deviazione standard dell errore medio con 3 anc re disposizione ordinata e 40cm Deviazione standard 3 1 2 Configurazione 2 disposizione ordinata dei mote con 4 ancore
46. ca dell installazione Per verificare se l installazione andata a buon fine si esegue il co mando tos check env questo verifica se il sistema compatibile con l utilizzo del software TinyOS e restituisce come output sul terminale i percorsi contenuti nelle variabili ambiente path e classpath e le versioni dei compilatori di nesC perl Java e graphviz dando errore se qualcuna di queste versioni non aggiornata per TinyOS A 1 PACCHETTI UBUNTU 81 bashrc gedit File Edit View Search Tools Documents Help 2 1 89 Alias definitions 90 You may want to put all your additions into a separate file like 91 bash_aliases instead of adding them here directly 92 See usr share doc bash doc examples in the bash doc package 93 94 if f bash_aliases then 95 bash_aliases 96 fi 97 98 enable programmable completion features you don t need to enable 99 this if it s already enabled in etc bash bashrc and etc profile 100 sources etc bash bashrc LI 101 if f etc bash_completion amp amp shopt oq posix then etc bash_completion 105 tinyos 106 export TOSROOT opt tinyos 2 1 1 jhe export TOSDIR TOSROOT tos si export CLASSPATH TOSROOT support sdk java tinyos jar CLASSPATH s export MAKERULES S TOSROOT support make Makerules s export PATH opt msp430 bin SPATH ee Sourcing the tinyos environment variable setup script iis source opt tinyos 2 1 1 tinyos s
47. che de scrive le condizioni del sistema quindi il numero di ancore le posi zioni stimate dei nodi e le distanze misurate tra di essi I metodi di questa classe oltre ai costruttori e distruttori sono due Il primo void operator Serve per il mutithreading ed il main della thread che gestisce la trilaterazione mentre l algoritmo implementato dal metodo void loc Questa classe permette l utilizzo del programma con un numero di nodi variabile fino ad un massimo di MAX_MOTE costante e definito nel file parametri h Quindi possibile aggiungere un nodo mentre il programma in esecuzione senza dover ricompilare il codice e se un nodo andasse perso perch danneggiato o con batterie scariche o fuo ri dalla portata della comunicazione radio il processo non verrebbe interrotto ma continuerebbe il calcolo della stima di posizione con un nodo in meno Per lo sviluppato il sistema utilizza i contenitori vector delle librerie STL e come gi anticipato le boost thread Le distanze misurate sono memorizzate dalla thread che si occu pa della comunicazione e gestione dei sensori thread server in un vector bidimensionale condiviso con la thread che si occupa della stima delle posizioni thread trilaterazione In questa struttura ogni posizione riporta la distanza misurata tra i sensori quindi in posizio ne ij si trova la distanza tra il nodo i e il nodo j misurata dal nodo i sui livelli di potenza dei pacchetti ricevuti da
48. com ubuntu oneiric universe 22 deb http it archive ubuntu com ubuntu oneiric updates universe 23 deb src http it archive ubuntu com ubuntu oneiric updates universe 24 25 N B software from this repository is ENTIRELY UNSUPPORTED by the Ubuntu 26 team and may not be under a free licence Please satisfy yourself as to 27 your rights to use the software Also please note that software in no dd mrsldbi i nora NITE MAT mn em nse me enari nr no em dnt Fonm bha tthesntss Plain Text Y Tab Width 2 v Ln 5 Col 1 INS Figura 56 Repository source file TinyOS deb http hinrg cs jhu edu tinyos karmic main 79 80 SETUP DEL SOFTWARE salvare e chiudere il file A 1 1 Installazione TinyOS In primo luogo si deve aggiornare il repository con il comando sudo apt get update successivamente si pu procedere all installazione di TinyOS 2 1 1 utilizzando il comando sudo apt get install tinyos 2 1 1 Dopo l installazione necessario aggiornale il file bashrc Si utilizza il comando gedit bashrc per aprire il file Figura 57 al quale vanno aggiunte le seguenti righe export TOSROOT opt tinyos 2 1 1 export TOSDIR TOSROOT tos export CLASSPATH TOSROOT Support sdk java tinyos jar CLASSPATH export MAKERULES TOSROOT support make Makerules export PATH opt msp430 bin PATH Sourcing the tinyos environment variable setup script source opt tinyos 2 1 1 tinyos sh A 1 2 Verifi
49. considerano la situazione statica ed includono tutte e tre le configurazioni Per ogni configurazione viene valutata la precisione ottenibile con diversi va lori di Per ogni test vengono riportati i valori di media e deviazione standard in metri dell errore ed un grafico riportante le posizioni dei mote esatte quelle iniziali afflitte da errore con y 40cm e le posizioni stimate 3 1 CONFIGURAZIONI STATICHE 3 1 1 Configurazione 1 disposizione ordinata dei mote con 3 anc re 3 1 1 1 5cm In questo caso viene considerata una deviazione standard dell er rore di misura delle distanze piccola rispetto all ordine di grandezza delle distanze stesse Come si pu notare da Tabella 3 l errore medio stimanto su N prove basso La Figura 11 riporta la situazione iniziale e la stima finale dell algorit mo in uno degli N test eseguiti nella prima configurazione In questo esempio malgrado all inizio ci sia una valutazione errata delle po sizioni iniziali dei mote l algoritmo in grado di far convergere le misure a valori vicini alle posizioni reali dei mote Tabella 3 Media e deviazione standard dell errore medio con 3 anc re disposizione ordinata e 5cm 0 03 4 reali e iniziali 1 5 a a finali 1 0 0 5 10 a coordinata Y m 0 0 0 5 gt 4 coordinata X m Figura 11 Esempio per uno degli N test con 3 anc re disposizione ordinata ed 5 3 1
50. della met della frequenza di campionamento del convertitore analogico digitale per minimizzare l aliasing Il rumore del sensore ha le caratteristiche di un rumore bianco gaus siano che contribuisce in modo uniforme a tutte le frequenze ed de scritto in ug v Hz Bisogna limitare la banda alla frequenza pi bassa necessaria per l applicazione in modo da massimizzare la risoluzione e il range dinamico dell accelerometro Il pin ST controlla il self test questa caratteristica consente di verifi care il funzionamento dell accelerometro Quando questo pin impo stato su Vs viene esercitata una forza elettrostatica che produce delle variazioni delle uscite Variazioni tipiche sono riportate in Tabella37 Il chip viene testato con una tensione di alimentazione Vs di 3V tuttavia pu essere alimentato con tensioni comprese tra 1 8V e 3 6V Si deve per fare attenzione che al variare della tensione di alimen tazione variano anche alcuni parametri del sensore L uscita del AD XL335 infatti raziometrica per cui il suo zero e la sua sensibilit dipendono dalla tensione di alimentazione Sia la sensibilit che lo zero variano in modo proporzionale alla ten sione infatti la sensibilit uguale a circa un decimo della tensione di alimentazione a Vs 3 6V la sensibilit d uscita 360mV g a Vs 2V 195mV g e l uscita per 0g di Vs 2 Il rumore d uscita al contario non raziometrico ma assume un valore fis
51. e Questo pacchetto contiene almeno 9 byte cos divisi e con questi significati e 1 byte serve per indicare che il pacchetto di tipo active mes sages e 2 3 byte indirizzo di destinazione del messaggio se posto a OxFFF il messaggio viene spedito in broadcast e 4 5 byte indirizzo del mittente del messaggio 6 byte lunghezza in byte del messaggio vero e proprio 7 byte ID del gruppo Questo campo permette di mandare il messaggio ad un gruppo ristretto di mote potendo cosi suddi videre una grande rete in tante sottoreti logicamente separate e invisibili tra di loro 8 byte tipo di messaggio Questo byte indica l evento che deve essere notificato dall arrivo del messaggio Quando un pacchet to viene ricevuto da un nodo l active message lo elabora incap sula il campo dati del pacchetto nell evento ed invia la notifi ca dell evento al componente appropriato Questa caratteristica permette a pi reti o a pi protocolli di alto livello di funzionare in concorrenza e 9 byte messaggio pu essere lungo al massimo 28 4 3 LINGUAGGIO NESC Il linguaggio nesC una variante del linguaggio C Per alcuni aspetti pu considerarsi un estensione in quanto implementa un modello ad eventi per altri aspetti considerata una limitazione infatti per ragio ni di maggior efficienza e semplicit limita l utilizzo dei puntatori e non permette l allocazione della memoria in modo dinamico Per svilu
52. e batterie Possiede inoltre una variet di periferiche tra cui bus SPI porta UART porte I O digitali timer Watchdog per l auto reset del dispositivo in caso di loop infini to timer con funzioni di cattura e confronto 2 porte DAC a 12 bit un supply voltage supervisor e un controllore DMA a 3 porte 4 1 3 Comunicazione con il PC e programmazione I TMOTE Sky utilizzano un controller della FTDI per comunicare con il PC utilizzando l interfaccia UART tramite la porta USARTI del mi croprocessore Il mote ha un speciale circuito hardware che impedisce che ci siano dei reset spuri della memoria flash per questo necessario un par ticolare software che in fase di programmazione invii una specifica sequenza per poter cancellare la memoria flash 4 1 TMOTE SKY 4 1 4 Flash esterna La memoria E PROM presente sul modulo la M25P80 della STMi croelettronics ed utilizzata per memorizzare il codice e i dati esterni Questo chip contiene 1024kB divisi in 16 segmenti da 64kB ciascuno La memoria condivide con il ricetrasmettitore CC2420 sez 4 1 6 la linea di comunicazione SPI di conseguenza bisogna prestare atten zione quando le letture e le scritture della memoria flash sono inter vallate da comunicazioni radio perch non possono avvenire contem poraneamente 4 1 5 Connettore di espansione Il TMOTE Sky ha due connettori di espansione Sul lato opposto al connettore USB in posizione U2 ed U28 Figura 35a si trovano
53. e reale superiore caso riportato in 3 1 1 3 ha dimostrato che il problema non il numero di anc re infatti il test eseguito con gli stessi dati ma mantenedo fermo un nodo in pi in nodo 10 ha restituito sostanzialmente la stessa sti ma finale Le posizioni stimate dei nodi risultano essere anche nel caso con 4 anc re ribaltate nonostante nei due test l algoritmo di tri laterazione sia evoluto in modo diverso infatti nel caso con 3 anc re l algoritmo giunto a convergenza con 16 iterazioni con un errore di stima medio tra i nodi di 71cm mentre nel caso con 4 anc re l algo ritmo giunto a convergenza con pi iterazioni 24 ma con un errore di stima medio tra i nodi inferiore 63cm La Tabella 18 riporta i valori di errore medio e deviazione stan dard 0 per tutte le configurazioni permettendo una facilit di con fronto Analizzando i dati contenuti in questa tabella si possono trarre alcune conclusioni Innanzitutto come gi osservato aumentando troppo l errore intro dotto nelle misure di distanza quindi con uguale a 40 e 80 centime tri non ha pi rilevanza n la disposizione dei nodi n il numero di 3 2 CONFIGURAZIONI DINAMICHE ancore Per valori dell errore di misura della distanza piccoli quindi con uguale a 5 e 10 centimetri l algoritmo converge ad una buona solu zione in tutte le configurazioni Si pu per notare che a parit di nodi anc ra la disposizione dei nodi mobili non
54. ega l ID del mote alla sua posizione del vettore di stato Questa routine verifica la presenza di un nodo i controllando se nella matrice delle distanze nelle posizioni realtive ad i quindi in tutte le posizioni ij e ji con j compreso tra 0 e il numero massimo di nodi ci sono delle misure di distanza Infatti se in nodo non dovesse essere presente tutte le distanze che lo riguardano sarebbero a 0 Per ogni nodo presente la routine aggiunge al vettore didascalia una cella contenente l ID del nodo stesso ottenendo cos un vettore che lega l ID dei nodi con la posizione delle loro coordinate all interno del vettore di stato Se per esempio il sistema supporta 10 nodi da 0 a 9 di cui i primi tre anc re e i nodi 5 e 8 assenti il vettore didascalia e il vettore di stato sono quelli riportati in 8 Dopo aver creato il vettore didascalia il metodo void loc comin cia le iterazioni Per ognuna di queste calcola il vettore F e la matrice F applicando rispettivamente le equazioni 5 e 6 e utilizzando i valori memorizzati nella matrice delle distanze Per aver la certezza di uti lizzare tutti i valori di distanza misurati anche quelli misurati dalle anc re nelle equazioni viene utilizzata la media delle misure nei due versi cio dij viene sostituita con la media di dij e dji Questo viene fatto perch che nel vettore di stato non sono presenti le coordinate dei nodi anc ra essendo queste note e non incognite di conseguenza non vengono
55. elerazione Per avere uno schema mentale che ci aiuti a visualizzare come ope ra un accelerometro immaginiamolo come costituito da una sfera al centro di un cubo sospesa da 3 molle che la attraversano agganciate a loro volta al centro di ogni faccia del cubo come rappresentato in Fi gura 52 Muovendo il cubo nello spazio la sfera si muover al suo in 67 68 REALIZZAZIONE SU DISPOSITIVI TMOTE SKY Figura 52 Modello dell accelerometro terno allungando e comprimendo di conseguenza le molle che la ten gono sospesa La misurazione del grado di compressione delle molle permette di stabilire se c stata un accelerazione nella direzione in cui si trova la molla compressa e quindi anche quantificarla L accelerometro utilizzato l ADXL335 della Analog Device 3 un accelerometro a 3 assi piccolo e con bassi consumi di potenza con un intervallo di misura tipico di 3 6g Contiene un sensore in poly silicio ottenuto con lavorazione surface micromaching3 e un circuito per il condizionamento del segnale che permette di implementare un sistema di misura dell accelerazione ad anello aperto Il segnale d uscita una tensione proporzionale all ac celerazione misurata con condizionamento del segnale di tensione in uscita Il chip misura l accelerazione di gravit condizione necessaria per ap plicazioni tilt sensing e l accelerazione dinamica dovuta a movimenti urti e vibrazioni In Figura 53 viene riportata la misura d
56. ell accelero metro al variare dell orientazione del chip La Figura 54 riporta il diagramma a blocchi funzionale dell accele rometro mentre la Tabella37 riporta le specifiche dell accelerometro 4 5 1 Teoria del funzionamento Il sensore una struttura surface micromachined costruita sopra un wa fer di silicio Delle molle in poly silicio tengono la struttura sospesa sopra la super ficie del wafer e oppongono resistenza alle forze di accelerazione La Essa consiste nella deposizione di strati dielettrici e metallici sulla superficie di un substrato e la successiva definizione delle strutture tramite tecniche fotolitografiche La realizzazione di strutture sospese quali membrane e ponticielli avviene tramite l utilizzo di materiali sacrificali Essi vengono depositati sotto le strutture da rendere sospese e successivamente rimossi tramite tecniche di attacco selettivo quali il wet in umido o dry a secco reactive ion etching RIE 4 5 ACCELEROMETRO 69 Xour 19 Your 0g Zour 09 GRAVITY Xour 0g Xour 0g Your 1g Your 1g Zour 09 Zour 0g Xour 19 Your 0g Zour 09 Xour 09 Xour 09 Your 0g Your 0g Zour 19 Zout 19 Figura 53 Risposta d uscita vs orientamento alla gravit 3 3V Vs OUTPUT AMP Gy Your Coc OUTPUT AMP g Cy ZouT OUTPUT AMP COM ST 07808 001 Figura 54 Diagramma a blocchi funzionali dell accelerometro 3 70 R
57. ell errore me dio con 4 anc re disposizione ordinata e 5 20cm 26 Media e deviazione standard dell errore me dio con 4 anc re disposizione ordinata e 40cm a7 Media e deviazione standard dell errore me dio con 4 anc re disposizione ordinata e 80cm 27 Media e deviazione standard dell errore me dio con 3 anc re disposizione random e 6 5cm 29 Media e deviazione standard dell errore me dio con 3 anc re disposizione random e 6 10cm 30 Media e deviazione standard dell errore me dio con 3 anc re disposizione random e 6 20cm 30 Media e deviazione standard dell errore me dio con 3 anc re disposizione random e 40cm Ji Media e deviazione standard dell errore me dio con 3 anc re disposizione random e 5 80cm 31 Tabella riassuntiva con i valori di errore medio e deviazione standard per le tre configurazio ni 32 Media e deviazione standard dell errore medio di stima per il nodo 6 con spostamento di 50cm in 10 passi e 5cm 34 Media e deviazione standard dell errore di sti ma per il nodo 6 nei tre passi valutati con 5cm 34 Media e deviazione standard dell errore medio di stima per il nodo 6 con spostamento di 50cm in 10passi e 10cm 35 Media e deviazione standard dell errore di sti ma per il nodo 6 nei tre passi valutati con 10cm 35 Tabella 23 Tabella 24 Tabella 25 Tabella 26 Tabella 27 Tabella 28 Tabella 29 Tabella 30 Tabella 31 Tabella 32
58. enti o altri task tramite la parola chiave post e vengono implementati tramite una funzione senza argomenti e senza valore di ritorno preceduta dalla parola chiave task I task non possono essere interrotti da altri task mentre possono es sere interrotti da interrupt hardware Si possono considerare due tipi di codice codice sincrono che pu essere mandato in esecuzione solo da un task e codice asincrono che pu essere mandato in esecuzio ne solo da un interruzione hardware Il codice sincrono eseguito in modalit run to completion quindi non pu essere interrotto da altro codice sincrono Il codice asincrono invece pu interrompere il codice sincrono in esecuzione In altre parole il codice sincrono atomico rispetto ad altro codice sincrono e non lo rispetto a codice asincrono La politica run to completion elimina i problemi relativi all uso di risorse condivise all interno di pezzi di codice sincrono Il problema rimane per se le risorse vengono utilizzate anche da pezzi di codi ce asincrono Per risolvere questo problema il compilatore controlla sempre ci permesso dal linking dinamico dalla mancanza di al locazione di memoria in modo dinamico e dalle restrizioni sull uso dei puntatori che le modifiche ad un elemento dello stato condiviso avvenga sempre in sezioni di codice sincrono o in sezioni atomiche Una sezione atomica una porzione di codice eseguita disabilitan 4 4 MODELLO DEL CANALE 57 do gli int
59. errori nelle condizioni iniziali e nella valutazione delle distanze La seconda serie di simulazioni invece valuta l algoritmo in condi zioni dinamiche Per fare ci vengono considerate alcune configura zioni dei nodi e per ognuna di queste viene variata in modo lineare e determinato la posizione di uno dei nodi Nella prima serie di simulazioni si sono considerate tre configura zioni di 11 nodi con diverse posizioni per i nodi o con diverso numero di anc re CONFIGURAZIONE l 3 anc re nodi 0 1 e 2 e mote posizionati in modo ordinato Figura 9 CONFIGURAZIONE 2 4 anc re nodi 0 1 2 e 10 e mote posizionati in modo ordinato Figura 9 CONFIGURAZIONE 3 3 anc re nodi 0 1 e 2 e mote posizionati in modo casuale all interno dello spazio considerato Figura 10 A in conf 2 coodrinata Y m 4 coordinata X m Figura 9 Posizione dei nodi nelle prime due configurazioni Si considerino le disposizioni iniziali dei nodi come mostrato in Fi gura 9 e 10 nelle quale l asse delle ascisse rappresenta la coordinata x e l asse delle ordinate rappresenta la coordinata y Nei grafici ripor tati vengono inoltre indicati con la lettera A i nodi ancora La scelta di validare l algoritmo con i nodi cos disposti deriva da 17 18 ANALISI IN SIMULAZIONE coodrinata Y m 4 coordinata X m Figura 10 Posizione dei nodi per la configurazione 3 considerazioni sul loro probabile posizionament
60. errupt hardware Queste sezioni vengono delimitate utiliz zando la parola chiave atomic e non permettono di invocare comandi o notificare eventi per garantire che l esecuzione della sezione non sia troppo lunga 4 4 MODELLO DEL CANALE Per la stima della distanza tra due nodi utilizzato il valore di RSS Receive Signal Strength ottenuto a partire dal valore di RSSI Receive Signal Strength Indicator ritornato direttamente dal chip radio montato sui TMOTE Sky Questi due valori secondo quanto riportato in 11 sono legati dalla seguente relazione RSS RSSI 45 Per poter risalire alla distanza a partire dal valore di RSS indispen sabile considerare il modello di canale in cui si va ad operare Le misure di potenza sono affette da due tipi di errori errori stati ci ed errori variabili nel tempo I primi dipendono da attenuazioni riflessioni diffrazioni e diffusioni dovute alla presenza di oggetti nel l ambiente in cui si effettuano le misure i secondi sono causati da rumore generico ed interferenze Il modello completo del canale in termini di potenza ricevuta P x dBm pu essere modellizzato nel seguente modo 14 Pero r fpr lxi x ll fst xi x falxi xj vee t 0 dove i e j sono rispettivamente il nodo ricevente e il nodo trasmitten te xi x R sono le posizioni nello spazio tridimensionale e t l istante in cui avviene la comunicazione Pd la potenza di trasmis sione rj l offs
61. et di trasmissione fp1 l effetto di path loss fs rappresenta lo slow fading fq il fattore di asimmetria del canale vee costituisce la componente di fast fading e 0 l offset sulla misura dell intensit ricevuta Da questo modello completo possibile attraverso alcuni accorgi menti eliminare o semplificare dei parametri difficilmente ricavabili giungendo ad un modello approssimato In particolar modo Pd E rj Rappresentano rispettivamente la potenza di trasmissione in dBm e la differenza tra la potenza nominale da datasheet e quella effettivamente trasmessa a causa di difetti di fabbricazio ne Si presumono costanti nel tempo e sono circa uguali a 0 se i mote vengono utilizzati con il livello di potenza di trasmissione massimo Tabella 29 foi Il path loss definito come la riduzione della densit di potenza di un onda elettromagnetica al propagarsi nello spazio Il suo effetto si pu modellizzare come 14 for Ilxi xl B 10y log Ilxi x ll 58 REALIZZAZIONE SU DISPOSITIVI TMOTE SKY dove 6 il guadagno del ricevitore radio alla distanzi di Ime y il fattore di perdita fsf Lo slow fading un fenomeno lentamente variabile che tie ne conto dalla variazione morfologica dell ambiente circostante pu essere causato da fenomeni di shadowing dove un ostacolo voluminoso come una collina od un edificio oscura il percor so del segnale tra trasmettitore e ricevitore
62. hl Plain Text Tab Width 2 v Ln 118 Col 35 Figura 57 File bashrc aggiornato BIBLIOGRAFIA 1 URL http www sentilla com 2 M Vanin A Martini A Preti Localization and Tracking in Wireless Sensor Networks PhD thesis Universit degli studi di Padova Dipartimento di ingegneria dell informazione A A 2011 2012 3 Datasheet Small Low power 3 Axis 3 g Accelerometer ADXL335 Analog Device One Technology Way P O Box 9106 Norwood MA 02062 9106 U S A rev b edition URL http ww analog com 4 Lafuente Marienela Carlos Genatios Lluvias torrenciales en var gas venezuela en diciembre de 1999 protecci n ambiental y recuperaci n urbana 41 2 3 49 62 2003 5 M Srivastava D Culler D Estrin Overview of sensors networks IEEE Computer Society 37 41 49 August 2004 6 Texas Instruments MSP430x1xx Family User s Guide URL http ti com msp430 7 O Tingleff K Madsen H B Nielsen Method for non linear least square problems PhD thesis Technical University of Denmark April 2004 8 moteIV Tmote sky Datasheet 6 2006 9 L Parolini Metodi di localizzazione per reti di sensori wireless PhD thesis Universita degli studi di Padova Dipartimento di ingegneria dell informazione A A 2005 2006 10 R S Pressman Principi di ingegneria del software ged McGraw Hill 2005 11 Chipcon Products CC2420 2 4GHz IEEE 802 15 4 ZigBee ready RF Transceiver Texas Instr
63. i reali Tabella 8 Media e deviazione standard dell errore medio con 4 anc re disposizione ordinata e 5cm 2 0f 6 reali iniziali a a finali 1 5 0 5 n a coordinata Y m 0 0 0 5 4 coordinata X m Figura 16 Esempio per uno degli N test con 4 anc re disposizione ordinata ed 5cm 3 1 2 2 10cm Sono valide osservazioni analoghe al caso precedente Tabella 9 Media e deviazione standard dell errore medio con 4 anc re disposizione ordinata e 10cm 3 1 2 3 20cm Come per il caso con 3 anc re si nota che con 20cm l algoritmo comincia ad avere le prime difficolt infatti non si ha pi una buona stima avendo una media d errore riportata in Tabella10 abbastanza elevata Il test con 4 anc re e 20cm stato eseguito anche utilizzando le condizioni iniziali e le distanze del caso riportato in 3 1 1 3 Que sto test stato eseguito per verificare se con l aggiunta di un ancora 25 26 ANALISI IN SIMULAZIONE reali eo go 1 0 n ol 4 8 al e o iniziali A a A NS a a finali A x 8 A 6 3 4 e A 3 2 0 5t Hi n n E N A gt fe oO 1 5 7 Ag 8 0 0 a a a n Dal 5 A e 9 0 5 7 J 0 2 8 10 coordinata X m Figura 17 Esempio per uno degli N test con 4 ancore disposizione ordinata e 10cm Tabella 10 Media e deviazione standard dell errore medio con
64. inyOS non possiede un nucleo e permette l accesso diretto all hard ware Per evitare lo spreco di energia causato dall overhead che nelle reti di sensori non porta vantaggi sufficienti a giustificarlo sparisco no i concetti di processore virtuale e memoria virtuale quest ultima viene considerata come un unico e lineare spazio fisico assegnato alle applicazioni a tempo di compilazione Dunque TinyOS deve sottostare ai seguenti requisiti 47 48 REALIZZAZIONE SU DISPOSITIVI TMOTE SKY e ridurre i consumi di energia e ridurre il carico computazionale e le dimensioni del sistema operativo e supportare richieste di operazioni che devono essere svolte in concorrenza e in maniera tale da raggiungere un alto livello di robustezza ed un efficiente modularit Il requisito della modularit garantito dal fatto che TinyOS com posto da un grande numero di piccoli componenti riutilizzabili la riusabilit di ogni componente ed una sua eventuale sostituzione permessa dalla definizione di un interfaccia Oltre a ci l ingegneria del software a componenti incoraggia l uso di schemi di architettu ra prevedibili e di un infrastruttura software standard portando cos a risultati di qualit superiore 10 La struttura cos articolata di Ti nyOS fa si che quando viene installata un applicazione su un sensore il sistema operativo viene installato solo con i componenti necessari all applicazione stessa riducendo cos
65. ione la gestione della memo ria condivisa con tutti i controlli implementata dal metodo void operator Di seguito viene riportato un estratto di questo metodo nel quale si vede l impiego del mutex che gestisce l accesso concor renziale alle variabili condivise e la condition variable che gestisce la sincronizzazione delle lettura della struttura condivisa contenente le distanze misurate mutexD lock Blocca ad altre thread l utilizzo delle variabili condivise while new_data Verifica se ci sono nuovi dati condGo wait mutexD Niene liberato mutexD e la thread si addormenta fino a quando quanche thread non fa signal su mutexD distanze_ distanze_condivise Vengono copiati i valori di distanza nella variabile membro new_data false Segnala che i dati sono stati letti mutexD unlock Libera mutexD Si ricorda che il comando wait invocato su una condition variable sbloc ca il mutex associato nel nostro caso mutexD ed addormenta la thread fino a quando un altra thread non invoca il comando signal sulla stes sa condition variable Quando ci avviene la thread si attiva e blocca il mutex associato alla condition variable se ci sono dati nuovi da leggere condizione indicata da new_data la thread procede mantenendo il mu tex bloccato fino a quando non viene liberato dal comando unluck in caso contrario viene chiamato nuovamente il comando wait Il metodo void loc implementa l algoritmo di locali
66. j Sulla diagonale prin cipale e nelle posizioni ij con nodo i o nodo j mancante o per il quale non ci siano misurazioni relative all altro nodo il valore viene impo stato a 0 Le due thread non possono accedere contemporaneamente alla strut tura condivisa per cui l accesso gestito da mutex e condition variable La struttura condivisa pu essere sovrascritta in qualsiasi momento dalla thread server anche se la thread trilaterazione non ha ancora letto i dati infatti non interessa avere una stima di posizione per ogni misura di distanze effettuata quanto la stima della posizione per lul tima misurazione Di conseguenza la thread server pu scrivere sulla stuttura dopo aver controllato se la thread trilaterazione non sta leg gendo il contenuto ogni volta che ci sono dei nuovi dati di distanze misurate La thread trilaterazione invece legge i dati solo quando sono nuovi quindi oltre a controllare che la thread server non stia scrivendo sul la struttura controlla che i dati non siano gi stati letti Per fare ci utilizzata una variabile booleana condivisa che viene posta a true dalla thread server ogni volta che questa inserisce dei dati nuovi e la thread trilaterazione la pone a false ogni volta che legge dei dati Que sta variabile condivisa protetta da un mutex in entrambe le thread ed utilizzata con una condition variable nella thread trilaterazione 2 2 IMPLEMENTAZIONE 13 Per quanto riguarda la thread trilateraz
67. livello pi alto le applicazioni dell utente formato da com ponenti che eseguono algoritmi che si astraggono dai dispositivi hardware e software Questi vengono chiamati high level soft ware component ne fa parte per esempio un componente che implementa il protocollo di routing TinyOS non utilizza il tradizionale modello basato su thread ben s un modello di programmazione basato su macchine a stati Infatti ogni componente transita da uno stato all altro in seguito ad una ri chiesta di operazione o in seguito alla notifica dell arrivo di un evento Ogni transizione avviene in modo praticamente istantaneo e non esi ste nessun evento che possa interromperla Questo comportamento dei componenti dovuto alla struttura del componente stesso che diviso in comandi eventi frame e task Il frame l area dati del componente allocata a tempo di compi lazione e permette di conoscere la quantit di memoria richiesta dal 49 50 REALIZZAZIONE SU DISPOSITIVI TMOTE SKY l intera applicazione Questa soluzione permette di evitare gli sprechi associati all overhead per l allocazione di memoria I comandi sono delle richieste per servizi forniti da un componente di livello inferiore Ritornano un valore che indica se la chiamata andata a buon fine Si possono distinguere due tipi di comandi Il primo tipo effettua la richiesta depositando i parametri nel frame e poi attiva un task Mentre il secondo dopo aver depo
68. llegamenti tra questi componenti tramite i vincoli di wiring Tali vincoli vengono specificati utilizzando l operatore gt La sintassi vuole che la direzione della freccia vada dall interfaccia utilizzata verso l interfaccia pubblicata Di seguito viene riportato un esempio di configurazione configuration BlinkAppC implementation components MainC components LedsC components BlinkC as App components new TimerMilliC as Timer0 components new TimerMilliC as Timerl components new TimerMilliC as Timer2 App Boot gt MainC App Leds gt LedsC 4 3 LINGUAGGIO NESC 55 App Timer0 gt Timer0 14 App Timerl gt Timerl App Timer2 gt Timer2 16 Questa specifica configurazione serve per definire i legami necessari per utilizzare il modulo riportato nell esempio precedente In questa configurazione dopo aver definito i componenti utilizzati assegnan do ad essi anche dei nominativi per poter utilizzare pi istanze dello stesso componente vengono specificati i collegamenti tra le interfacce Per esempio viene collegata l interfaccia Leds utilizzata nel componen te App che sarebbe BlinkC quello riportato nell esempio precedente con l interfaccia Leds pubblicata dal componente LedsC 4 3 2 Assemblaggio dei componenti Come gi spiegato per realizzare un applicazione necessario colle gare tra loro i componenti che la formano In Figura 41 riportato un esempio di grafo dei componenti
69. m Tabella 16 Media e deviazione standard dell errore medio con 3 anc re disposizione random e 40cm 1 5 coordinata Y m i gt u 0 0 5 reali PE e iniziali a a finali A a 5 n A a a 4 a 10 A n 8 a 6 10 n J of mi a 19 a 4 A ia z9 a10 n al 8 Pa A A 9 A 0 2 6 8 10 coordinata X m Figura 25 Situazione riassuntiva per uno degli N test con 3 anc re disposizione random e 6 40cm Tabella 17 Media e deviazione standard dell errore medio con 3 anc re disposizione random e 6 80cm 31 32 ANALISI IN SIMULAZIONE 2 0 5 reali iniziali a a finali coordinata Y m a u P U a 0 0 4 coordinata X m Figura 26 Situazione riassuntiva per uno degli N test con 3 anc re disposizione random e 6 80cm Conclusioni sulla valutazione sperimentale nel caso statico Tabella 18 Tabella riassuntiva con i valori di errore medio e deviazione standard per le tre configurazioni es E nd en En e o e o e o e o 0 0 10 0 03 0 18 0 19 0 29 0 16 0 49 0 17 0 05 0 05 0 09 0 03 0 24 0 13 0 48 0 17 0 11 0 08 0 18 0 09 0 30 0 13 0 46 0 14 Il test fatto in 3 1 2 3 per verificare l ipotesi che l aggiunta di un no do anc ra possa evitare stime errate in cui i nodi con coordinate y pi basse superano i nodi in posizion
70. nde un valore di poten za e un consumo di corrente Alcune di queste corrispondenze sono riportate il tabella 29 Per quanto riguarda il canale di trasmissione poich il chip lavora nella banda non licenziata intorno ai 2 4GHz per lo standard IEEE 802 15 4 13 si pu scegliere tra 16 canali da 11 a 45 46 REALIZZAZIONE SU DISPOSITIVI TMOTE SKY Tabella 29 Configurazioni della potenza di uscita per il CC2420 ar oxaore Jo o 3 8 5 26 Il chip CC2420 fornisce inoltre un indicatore di potenza del segnale ricevuto RSSI Received Signal Strenght Indicator che pu essere let to in qualsiasi momento Questo indice quantizzato su un insieme di 100 valori e possiede un accuratezza di 6 dBm Inoltre su ogni pacchetto ricevuto il CC2420 calcola il tasso di errore e produce una indicazione della qualit della connessione LOI Link Quality Indica tor Entrambi gli indici vengono salvati in una variabile a 8 bit con la differenza che il primo viene salvato con segno quindi assume valori tra 127 e 128 mentre il secondo viene salvato senza segno quindi assume valori tra 0 e 255 La Figura 37 riporta la mappatura dell indice RSSI in funzione della potenza del segnale ricevuto RSSI Register Value RF Level dBm Figura 37 Mappatura dell indice RSSI in funzione della potenza del segnale ricevuto 8 mW 1 Si definisce una generica potenza P espressa in dBm come Prapm 10 log Pai 4 2 SISTEMA T
71. ne 2 disposizione ordinata dei mo te con 4 ancore 23 3 1 3 Configurazione 3 disposizione casuale dei mo te con 3 anc re 29 3 1 4 Conclusioni sulla valutazione sperimentale nel caso statico 32 3 2 Configurazioni dinamiche 33 3 2 1 Configurazione 1 Spostamento del nodo 6 con 10 passi da 5cm 33 3 2 2 Configurazione 1 Spostamento del nodo 6 con 5 passi da 10cm 36 3 2 3 Conclusioni sulla valutazione sperimentale nel caso dinamico 38 3 3 Conclusioni della valutazione sperimentale 39 REALIZZAZIONE SU DISPOSITIVI TMOTE SKY 41 4 1 TmoteSky 41 4 1 1 Alimentazione 42 4 1 2 Microcontrollore 42 4 1 3 Comunicazione con il PC e programmazione 44 4 1 4 Flash esterna A5 4 1 5 Connettore di espansione 45 4 1 6 Radio 45 4 2 Sistema TinyOS 47 4 2 1 Componenti 48 4 2 2 Split phase operation 50 4 2 3 Active messages 51 4 3 Linguaggio nesC 52 4 3 1 Moduli e configurazioni 53 4 3 2 Assemblaggio dei componenti 55 vi INDICE 4 3 3 Stratificazione dei componenti 55 4 3 4 Modello concorrente 56 4 4 Modello del canale 57 4 4 1 Calcolo del modello del canale 59 4 4 2 Analisi del modello 60 4 4 3 Valutazione algoritmo di trilaterazione con dati reali 63 4 5 Accelerometro 67 4 5 1 Teoria del funzionamento 68 4 5 2 Informazioni sull utilizzo pari 4 6 Verifica funzionamento accelerometro re Conclusioni 75 APPENDIX TF A SETUP DEL SOFTWARE 79 A 1 Pacchetti Ubuntu 79 A 1 1 Installazione TinyOS 80 A 1 2 Verifica dell installazione 80 B
72. no in grado di autolocalizzarsi Condizione necessaria per l utilizzo di questo approccio la possibi lit di avere un algoritmo di localizzazione robusto in grado di deter minare le posizioni dei nodi a partire dalle misure di distanza tra i nodi effettuate dai nodi stessi Poich la rete di sensori si pone come obbiettivo la rilevazione di spo stamenti del terreno ogni dispositivo deve inoltre essere dotato di un accelerometro In questo capitolo verranno presentati i dettagli dell algoritmo di trilaterazione che stato proposto e studiato in questo lavoro di tesi Esso in grado di utilizzare le distanze relative tra i sensori per stima re le posizioni dei nodi rispetto ad alcuni sensori fissi nodi anc ra L algoritmo di trilaterazione proposto basato su un algoritmo di mi nimizzazione ai minimi quadrati infatti lo scopo quello di stimare la posizione dei nodi minimizzando l errore tra le distanze misurate e le distanze calcolate a partire dalla stima della posizione 2 1 ALGORITMO DI TRILATERAZIONE Si consideri un generico grafo come quello riportato in Figura 7 composto da nodi e archi S V Q MSA Figura 7 Generico grafo rappresentante una distrubuzione dei nodi 10 SOLUZIONE AL PROBLEMA DELLA LOCALIZZAZIONE Dati due nodi i e j si consideri la stima della loro distanza come la somma tra il valore reale e un errore come riportato il eq 1 dij dij Ni 1 Si consideri la funzi
73. o essere utilizzate per sviluppare ulteriori applicazioni A loro volta le librerie e le applicazioni sono costituite da componenti Ogni componente presente in TinyOS un unit software indipen dente dotata di interfacce che svolge un determinato compito L insie me dei componenti che formano un applicazione si chiama grafo dei 4 2 SISTEMA TINYOS Actuating Sensing tN Figura 39 Architettura a componenti di un applicazione TinyOS componenti Questo fissa una gerarchia tra i componenti stessi quindi si ha che un componente di livello inferiore notifica eventi event ai componenti di livello pi alto mentre i componenti di livello supe riore richiedono servizi command ai componenti di livello pi basso Come si vede in Figura 39 i componenti che formano l architettura di un applicazione si possono dividere in tre categorie e Lo strato pi basso formato da componenti che rappresenta no direttamente i dispositivi hardware creando un astrazione software di questi Questi componenti si chiamano hardware abstraction Un componente che legge o scrive un bit su un canale radio per esempio fa parte di questa categoria e Lo stato intermedio formato da componenti chiamati syn thetic hardware che simulano il comportamento di dispositivi hardware pi complessi e sofisticati di quelli realmente a dispo sizione Per esempio un componente che prende 8 bit forma un byte per passarlo al livello superiore e Il
74. o in situazione rea le Infatti ipotizzando il canale verticale con una larghezza di 8m larghezze tipiche vanno da 6m a 10m i mote anc ra risulterebbero posizionati sulle sponde del canale stesso mentre i mote mobili sa rebbero disposti nel canale lungo il fronte di avanzamento del debris flow Le coordinate dei nodi vengono riportare in Tabella 1 per le confi gurazioni e 2 e in Tabella 2 per la configurazione 3 Le condizioni iniziali per l algoritmo di trilaterazione utilizzano le coordinate esatte a cui viene aggiunto un errore di tipo gaussiano a media nulla e deviazione standard y Stimando senza l ausilio di strumenti di misura precisi le coordinate dei nodi in una possibi le situazione reale plausibile considerare un errore di stima con y 40cm Per quanto riguarda le distanze tra i mote sono state prese le distanze esatte calcolate a partire dalle coordinate dei nodi riportate in Tabella 1 e 2 a cui viene aggiunto un errore sempre di tipo gaussiano con media nulla e deviazione standard che viene variato nelle diver se prove per valutare l errore massimo sostenibile dall algoritmo di trilaterazione Per ogni configurazione sono stati fatti 5 test modificando il valore di considerando i seguenti casi 5cm 10cm 20cm 40cm e 80cm Ogni test consiste nel ripetere per N volte N 100 l algoritmo di trilaterazione valutando per ogni ripetizione la media dell errore tra la posizione esatta e la posizione stim
75. o maggiore dell approssimazione introdotta La procedura di raccolta dati va ripetuta pi volte posizionando i sensori a d distanze diverse Per ognuna di queste il PC memorizza i valori medi di potenza per ogni coppia ordinata di nodi e dopo aver raccolto i dati per le d distanze vengono calcolati i parametri del modello del canale applicando l eq 10 e memorizzati in pi file uno per ogni coppia ordinata di sensori Questi file vengono utiliz zati dal programma che si occupa della raccolta dati per convertire i valori di potenza ricevuti in valori di distanza che vengono utilizzati per stimare le posizioni dei nodi con l algoritmo di trilaterazione sez DI 4 4 2 Analisi del modello Allo scopo di valutare se i sensori in dotazione abbiano caratteristi che che ne permettano l utilizzo al fine di questo lavoro di tesi si sono effettuate delle prove per verificare se l errore introdotto nella misura della distanza sia minore dell errore massimo ammissibile per la con vergenza ad una stima corretta dell algoritmo di trilaterazione Il calcolo delle posizioni tramite l algoritmo di minimizzazione e la memorizzazione dei dati vengono eseguite da un Laptop con proces sore dual core C 60 a 64 bit con 1 GHz 4 GB di memoria RAM 500 GB di hard disk e dotato di 3 porte USB 2 0 su cui installato Ubuntu 11 10 Sono stati presi 3 mote a campione Per ogni coppia ordinata di mote sono state considerate d distanze con d uguale a 4 nello s
76. ometro 68 Risposta d uscita vs orientamento alla gravit 3 69 Diagramma a blocchi funzionali dell accelero metro 3 69 Screenshot programma java per visualizzare i valori misurati dall accelerometro 73 Repository source file 79 File bashrc aggiornato 81 ELENCO DELLE TABELLE Tabella 1 Tabella 2 Tabella 3 Tabella 4 Tabella 5 Tabella 6 Tabella 7 Coordinate dei mote nelle configurazioni 1 e PA 19 Coordinate dei mote nella configurazione 3 Media e deviazione standard dell errore me dio con 3 anc re disposizione ordinata e sem di Media e deviazione standard dell errore me dio con 3 anc re disposizione ordinata e 10cm 22 Media e deviazione standard dell errore me dio con 3 anc re disposizione ordinata e 20cm 23 Media e deviazione standard dell errore me dio con 3 anc re disposizione ordinata e 40cm 23 Media e deviazione standard dell errore me dio con 3 anc re disposizione ordinata e 80cm 24 19 1X Elenco delle tabelle Tabella 8 Tabella 9 Tabella 10 Tabella 11 Tabella 12 Tabella 13 Tabella 14 Tabella 15 Tabella 16 Tabella 17 Tabella 18 Tabella 19 Tabella 20 Tabella 21 Tabella 22 Media e deviazione standard dell errore me dio con 4 anc re disposizione ordinata e 5cm 25 Media e deviazione standard dell errore me dio con 4 anc re disposizione ordinata e 10cm 25 Media e deviazione standard d
77. one 2 fy dij di nella quale di definito come d xi x yi yj Lo scopo quello di minimizzare una funzione costo quadratica F x ottenuta sommando i quadrati di fij per ogni i e per ogni j come riportato in eq 2 o d a w ij E amp Si vuole quindi trovare la stima z del vettore di stato composto dal le coordinate x y dei nodi non anc ra descritto in eq 3 tale che F z 0 xo yo uw o in wa Per fare ci si propone di utilizzare il metodo di Newton 2 1 1 Metodo di Newton Il metodo di Newton come tutti i metodi per la soluzione di siste mi non lineari iterativo partendo da una condizione iniziale del vettore di stato Zo produce una serie di vettori Z4 Z2 che fiducio samente convergono a z un minimo locale della funzione data Essendo il sistema da risolvere non lineare necessario eseguire una linearizzazione quindi si considera lo sviluppo di Taylor della fun zione vettoriale F z ottenendo F z h lt F z F z h dove h il vettore da sommare a z per ottenere il passo successivo dell iterazione e si calcola risolvendo il sistema lineare di eq 4 Hh F z con H F z 4 Il processo iterativo viene arrestato quando z k 1 z k lt e 2 2 IMPLEMENTAZIONE dove k il numero dell iterazione Per maggiori informazioni teoriche sugli algoritmi di minimizzazione si faccia riferimetno a 7 Nel caso in esame si vuole t
78. one Al primo passo di ogni prova vengono considerati i mote nella dispo sizione in Figura 9 Le condizioni iniziali come nella prima serie di simulazioni sono le coordinate esatte dei nodi alle quali viene aggiun to un errore di tipo gaussiano a media nulla e deviazione standard y con y 40cm Per i passi successivi vengono utilizzate come condizioni iniziali del l algoritmo di trilaterazione le posizioni stimate al passo precedente Le distanze usate per la localizzazione sono le distanze esatte di ogni passo alterate di un errore gaussiano a media nulla e deviazione stan dard Ancora una volta vengono fatte diverse analisi con che as sume valori pari a 5 e 10 cm unici valori significativi come mostrato dalla serie di simulazioni in situazione statica Per ogni prova vengono eseguiti N test N 100 per ogni test vie ne calcolato l errore di stima medio sul numero di passi per il nodo mobile mote 6 e l errore di stima della posizione del nodo mobile per tre particolai passi Quest ultimo calcolo viene effettuato per ve rificare se l eventuale errore si accumula lungo il tragitto Dopo aver eseguito tutti gli N test viene calcolata la media e la deviazione stan dard dell errore medio di stima e la media e la deviazione standard sulle N prove dell errore di stima per i tre passi considerati 3 1 PRIMA SERIE DI SIMULAZIONI CONFIGURAZIONI STATICHE ERRORI DI MISURA CRESCENTI I test che compongono la prima serie di simulazioni
79. one dal valore digitale ottenuto dall ADC al valore di gravit viene effettuata tenendo conto del livello di tensione delle batterie che alimentano il mote Vista l impossibilit dei mote di effet tuare calcoli in virgola mobile questa conversione viene effettuata su PC Per la gestione degli ADC sono stati creati tre componenti uno per ogni asse dell accelerometro Ogni componente fornisce un interfaccia per richiedere la lettura del valore convertito dall ADC e configura l ADC stesso La configurazione consiste nel settaggio della porta di input la ten sione di riferimento per la conversione e dei tempi di sample amp hold Per visualizzare le misure eseguite dall accelerometro stato utiliz zato un programma fornito nel pacchetto di installazione di TinyOS In Figura 55 viene riportato uno screenshot di questo programma Per ottenere questo grafico si fatto ruotare il mote di 180 rispetto ad uno degli assi infatti le componenti della forza di gravit rimangono costanti lungo due assi mentre lungo il terzo cambia segno Oscilloscope X 25925 26125 Clear data Sample period ms 256 _ y Y 15p0 1500 50 200 200 3200 12800 Figura 55 Screenshot programma java per visualizzare i valori misurati dall accelerometro 73 CONCLUSIONI In questa tesi stato presentato un metodo per il monitoraggio di eventi di colata detritica attraverso lo sviluppo di una rete di sensori wireless ancora
80. one standard dell errore di stima media e dell errore di stima per i tre passi presi in esame Per ogni prova vengono inoltre riportati due grafici uno rappresentante la variazione di posizione del solo nodo mobile mote 6 ed uno raffigurante la situazione globale con le variazioni di stima di tutti i nodi presenti 3 2 1 Configurazione 1 Spostamento del nodo 6 con 10 passi da 5cm Questa prova prevede lo spostamento del nodo 6 di 5cm per 10 volte Per valutare se l errore di stima si accumula lungo i passi viene calcolato l errore medio di stima per i passi 0 5 e 10 3 2 1 1 5cm Valutando i risultati riportati in Tabella 19 possibile osservare che considerando un nodo mobile l algoritmo riesce a seguire lo sposta 33 34 ANALISI IN SIMULAZIONE Tabella 19 Media e deviazione standard dell errore medio di stima per il nodo 6 con spostamento di 50cm in 10 passi e 5cm Media errore medio Deviazione standard Tabella 20 Media e deviazione standard dell errore di stima per il nodo 6 nei tre passi valutati con 5cm fe fo Passo 0 0 59 0 33 Passo 5 0 21 0 31 Passo 10 0 13 0 19 mento ma introducendo un errore non indifferente gi con un valore di errore della misura di distanza 5 basso Per quanto riguarda l accumulo di errore tra i passi Tabella 20 si pu osservare che in queste condizioni l errore non si accumula ma anzi diminuisce L esempio riportato in Figura 27 conferma le osserva
81. ormazioni sull utilizzo Come si vede da Figura 54 presente un condensatore Cpc da 0 1uF collegato tra i pin di alimentazione Questo sufficiente nel la maggior parte delle applicazioni per disaccoppiare l alimentazione dai disturbi Tuttavia se il disturbo ad una frequenza di 50Hz come il clock interno necessario adottare particolari tecniche per bypassa re il problema perch questo disturbo pu causare degli errori sulla misurazione dell accelerazione Per ottenere un disaccoppiamento supplementare possibile inserire un resistore da 1000 o pi piccolo nella linea di alimentazione e o un condensatore da 1uF o maggiore in parallelo a Ccp Collegando dei condensatori ai pin Xout Yout e Zour si imple menta un filtro passa basso per la riduzione dei disturbi e l antialiasing L equazione per il calcolo della frequenza di taglio riportata in 11 F 11 FATE 27 32kQ X C x y Z La tolleranza della resistenza interna Rrirt tipicamente varia di 15 rispetto al valore nominale come riportato in Tabella37 e la banda passante varia di conseguenza 71 72 REALIZZAZIONE SU DISPOSITIVI TMOTE SKY La larghezza di banda dell accelerometro determina in ultima ana lisi la risoluzione di misura questa pu essere migliorata abbassando il livello di rumore attraverso un filtraggio L uscita dell ADXL335 ha una larghezza di banda tipicamente mag gione di 500Hz La banda analogica non deve essere maggiore
82. passa in secondo piano rispetto alle misure degli accelerometri perch in breve tempo il calcolo delle distanze diven terebbe impossibilitato avendo i nodi mobili fuori dalla portata dei nodi ancora REALIZZAZIONE SU DISPOSITIVI TMOTE SKY Per lo sviluppo del sistema reale l algoritmo validato nel capitolo pre cedente viene applicato ad una rete di sensori TmoTE M Sxy della MotelV ora Sentilla 1 La scelta di utilizzare tali dispositivi per lo sviluppo del progetto deriva dalla loro capacit di calcolare la distan za da altri dispositivi attraverso la potenza del segnale radio ricevuto con errori compatibili con l analisi precedente 14 Inoltre vista ab bondante disponibilit di device gi a disposizione del Dipartimento di Ingegneria dell Informazione dell Universit di Padova la scelta di utilizzare tali sensori per lo sviluppo del progetto sembrata corretta L altro componente hardware utilizzato l accelerometro ADXL335 della Analog Device scelto per le sue ridotte dimensioni e per il limita to consumo di potenza che lo rendono compatibile con l applicazione in esame Nelle sez 4 1 4 2 e 4 3 vengono descritte le caratteristiche hardware e software del sensore Tmote mentre in sez 4 4 vengono presentati i risultati sperimentali ottenuti con questo device L aspetto hardware dell accelerometro viene descritto in sez 4 5 e la prova effettuata per verificarne il funzionamento in sez 4 6 4 1 TMOTE SKY
83. peci fico Im 2m 4m e 6m e per ognuna di queste sono state effettuare n misurazioni con n uguale a 8000 Da queste misurazioni si ricavano 6 grafici Figure 43 48 uno per ogni coppia ordinata di mote riportanti 4 4 MODELLO DEL CANALE 61 un analisi dei valori registrati in particolare il grafico relativo alle mi surazioni fatte dal nodo i sulla potenza ricevuta dal nodo j riporta la distribuzione dei valori di potenza misurata dal nodo i sul nodo j in funzione della distanza il valore medio di potenza misurata per ogni distanza la curva che descrive il modello del canale ricavata appli cando l eq 10 e la distanza stimata dal modello del canale partendo dal valore di potenza media misurato Inoltre viene riportata una tabella per ogni coppia ordinata di nodi con la distanza reale la distanza calcolata utilizzando il modello del canale con la potenza media misurata e l errore commesso nel calcolo della distanza 45 e e Valori misurati m Valori medi 50 Modello del canale v v Valori stimati 55 RSS dBm h O 65 70 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Distanza m Figura 43 Grafico dei valori di potenza misurati dal nodo 0 rispetto al nodo Distanza reale Distanza calcolata Errore commesso Tabella 30 Tabella relativa alle misure del nodo 0 rispetto al nodo 1 Dalle tabelle da 30 a 35 si pu osservare che il calcolo della distan za attraverso il modello del canale introduce un errore
84. ppare un applicazione in nesC necessario realizzare tutti i componenti che vengono poi assemblati per formare il codice ese guibile Ogni componente deve definire le specifiche del suo comportamento e implementare tali specifiche Per fare ci viene utilizzata una serie di interfacce Queste possono definire le funzionalit fornite da altri componenti che si intendono utilizzare per realizzare il proprio com portamento o definire le funzionalit che si mettono a disposizione ad altri componenti Ognuna di esse specifica una serie di funzioni che devono essere im plementate da chi fornisce l interfaccia ed una serie di funzioni che devono essere implementate dal componente che utilizza l interfaccia Questo garantisce che non ci siano operazioni bloccanti nemmeno se 4 3 LINGUAGGIO NESC richiedono un tempo di esecuzione non determinato come ad esem pio l invio di pacchetti Infatti un componente che utilizza l interfac cia per l invio dei pacchetti non pu utilizzare il comando send invio del pacchetto senza implementare l evento send_done invio del pac chetto completato Le interfacce legano tra loro i componenti in modo statico Questo per ottenere una maggiore robustezza aumentare la velocit di ese cuzione e per permettere l analisi statica del programma Infatti nel caso ci fossero problemi legati all accesso concorrente di una risorsa il compilatore sarebbe in grado di accorgersene Il sistema operativo TinyOS
85. re disposizione ordinata e 40cm Deviazione standard Tabella 12 Media e deviazione standard dell errore medio con 4 anc re disposizione ordinata e 80cm Deviazione standard 27 28 ANALISI IN SIMULAZIONE 4 reali s e iniziali Tol al al BIO a al a a finali Z 3 A NS A hd 4 A E 3 2 wor n 0 5 fe A A 5 5 e 6 6 A 8 sal 1 a ai A A 7 5 0 5 A 0 2 6 8 10 coordinata X m Figura 20 Esempio per uno degli N test con 4 ancore disposizione ordinata e 40cm 1 5F 7 e m reali e iniziali 0 4 6 8 10 a a finali 1 0 Perni a a mn a 4 a8 8 3 2 0 5 n gt a E a A gt g 1 5 7 q 0 0 n 7 D 4 e 6 A O U 0 5 a2 5 1 0 5 7 A 1 5 i i i 0 2 8 10 4 coordinata X m Figura 21 Situazione riassuntiva per uno degli N test con 4 ancore disposizione ordinata e 5 80cm 3 1 CONFIGURAZIONI STATICHE 3 1 3 Configurazione 3 disposizione casuale dei mote con 3 anc re La configurazione 3 con i mote disposti in modo casuale stata va lutata per verificare la robustezza dell algoritmo di trilaterazione nel caso in cui i nodi mobili non siano disposti in modo da formare una rete regolare Questa situazione pu verificarsi in pi condizioni i mote possono essere stati posizionati in modo ordinato ma in seguito ad uno smottamento o al passaggio di un animale la loro formazio ne regolare
86. rore di distanza introdotto non elevato infatti se l errore introdotto ha una deviazione standard maggiore di 20cm l aggiunta di un anc ra non porta nessun tipo di vantaggio Il quarto capitolo descrive in dettaglio le caratteristiche hardware e software del dispositivo scelto per lo sviluppo del progetto e dell ac celerometro triassale scelto per essere montato sul sensore al fine di ottenere una misura pi precisa degli spostamenti dovuti ad eventua li colate detritiche Il capitolo presenta una descrizione del modello di canale utilizzato e i risultati ottenuti con i dati raccolti su una se rie di sensori per valutare se questo sensore permette un errore nel calcolo delle distanze inferiore a quello richiesto dall algoritmo di trilaterazione L analisi fatta sui dati raccolti dai sensori ha portato a concludere che tali dispositivi non sono in grado di misurare la distanza con un errore entro i limiti imposti dall algoritmo di trila terazione di conseguenza i sensori non sono adatti per misurare la distanza dato di input per l algoritmo di trilaterazione Dati raccolti precedentemente sullo stesso tipo di sensori affetti da un errore com 75 76 REALIZZAZIONE SU DISPOSITIVI TMOTE SKY patibile con i vincoli dell algoritmo di trilaterazione dimostrano la bont dell algoritmo proposto che riesce a convergere e a localizzare i sensori Negli sviluppi futuri del progetto previsto l acquisto di altri sen sori con carat
87. rova del caso precedente 2 0 m reali x x avanzamento reale e iniziali y v avanzamento stimato A A finali coordinata Y m pa e P ro Fi N 7 0 8 3 2 3 4 3 6 3 8 4 0 4 2 coordinata X m Figura 33 Evoluzione del nodo mobile con 5 passi da 10cm e 6 10cm 3 2 3 Conclusioni sulla valutazione sperimentale nel caso dinamico Osservando Tabella 27 che riporta i valori precedentemente commen tati di media e deviazione standard dell errore di stima per il nodo 6 immediato accorgersi che il numero e la dimensione dei passi non influenza la stima Questa osservazione supportata dai risultati ot tenuti alla prima serie di simulazioni infatti in queste simulazioni si visto che l algoritmo riesce a convergere ad una buona stima con 5 uguale a 5 e 10 centimetri anche con un errore nelle posizioni ini ziali alto Per lo stesso motivo l errore non si accumula lungo i passi 3 3 CONCLUSIONI DELLA VALUTAZIONE SPERIMENTALE m reali lt x avanzamento reale e iniziali v v avanzamento stimato A A finali 2 0 1 5 4 oT e 4 8 2 LO bee 3 di 6 Be 10 A e 0 5 3 ee 5 1 PRE is 4 T 0 5 coordinata Y m coordinata X m Figura 34 Evoluzione complessiva con 5 passi da 10cm e 6 10cm Tabella 27 Tabella riassuntiva con i valori di errore medio e deviazione standard per le due prove 10 passi da 5cm 5 passi da 10cm anzi dimin
88. rovare delle coppie di soluzioni zi xi yi dalle quali dipende la funzione da minimizzare 2 si distin guono quindi le derivare parziali rispetto alle componenti x e le com ponenti y Il sistema non lineare da risolvere F z quindi composto dalle equazioni riportati in 5 calcolate per ogni nodo appartenente all in sieme dei nodi N dove N l insieme dei nodi vicini a nodo i OF OX gt 4 dij x uy Oy 6A JEN 3 SY aldo yy ny 60 Ji JEN Per il calcolo del vettore h serve conoscere analiticamente la forma di H Questa composta da tutte le derivarte seconde di F Quindi derivando ulteriormente le equazioni 5 rispetto a tutte le pos sibili componenti del vettore di stato si ottiene quanto riportato in 6 2 ai 2 A di Xi x yi y 2 x x 6a h jENi nk di xi 45 yi y 2 2 xi x hi 6b ma E x 8 xi xj Yyi yj 6c ne 8 xi x Yi yj 6d SE E fa ena 6e ni 8 xi xj Yi 4 6f 2 57 2 4 dus 9 1 49 2i y 6 JEN i sE n i xi x5 Yi y 2 yi y 6h 2 2 IMPLEMENTAZIONE La realizzazione dell algoritmo di trilaterazione introdotto viene svi luppata in C 11 12 SOLUZIONE AL PROBLEMA DELLA LOCALIZZAZIONE Per mantenere il progetto strutturato ad oggetti condizione neces saria per l utilizzo delle boost thread stata creata una classe
89. scano la propagazione la tecnologia che sta riscuotendo maggior successo quella basata sull installazione di briglie paragonabili a quelle uti lizzate come paramassi costituite da reti in acciaio che uniscono alla capacit di assorbire elevatissime energie di impatto una completa trasparenza al flusso idraulico di superficie Figura 6 Queste sono munite di opportuni sensori shock sensor che permettono di allertare la popolazione se vengono investite da un debris flow In generale i sistemi d allerta si possono dividere in due gruppi av visi preventivi e avvisi d evento Gli avvisi preventivi si attivano quando sussistono condizioni favore voli al generarsi di un debris flow e si basano su correlazioni empiriche tra le precipitazioni e il verificarsi di un debris flow I sensori adottati sono quelli normalmente utilizzati per il monitoraggio idrometeoro logico e sono costituiti da una rete telemetrica di pluviometri e radar meteorologici La definizione di soglie di piovosit critica per l inne sco di debris flow sono inclini ad un elevata probabilit di falsi allarmi perch non tutte le precipitazioni che superano queste soglie effetti 1 1 LE COLATE DETRITICHE TORRENTIZIE Figura 6 Installazione di una gabbia in localita Rosazza pochi chilometri a nord di Biella vamente danno inizio ad un debris flow La difficolta di individuare con precisione una soglia sta nella complessita del processo di inne sco che non pu
90. sitato i parametri chiama un altro comando Gli eventi prevedono l intervento di due tipologie di componenti i supplier che producono gli eventi e i consumer che ricevono gli eventi Questi possono interagire in due versi formando due modelli di notifica degli eventi PUSH MODEL Il componente supplier notifica l evento al consumer di sua iniziativa PULL MODEL Il componente consumer richiede l evento al supplier Come per i comandi anche un gestore di evento pu depositare dei parametri nel frame e poi avviare un task Gli eventi non possono essere notificati dai comandi questo per evita re che si possano verificare dei loop infiniti Infatti gli eventi possono notificare altri eventi e chiamare dei comandi quindi se un comando potesse notificare un evento il quale chiama il comando stesso ci si troverebbe in una situazione di stallo Il task l attivit unica ed indipendente di cui composto il pro gramma in esecuzione I task non hanno diritto di prelazione su nessuna attivit quindi sono nonpreemptive Essi possono chiamare comandi invocare o notificare eventi e attivare altri task all interno dello stesso componente Hanno il compito di eseguire grandi quantit di calcoli che non siano critici temporalmente Il componente principale per ogni applicazione quello che sem pre presente lo scheduler Questo componente si occupa di man dare in esecuzione i task secondo una politica FIFO First In First
91. so in V pertanto la densit di rumore decresce al cresce re della tensione d alimetazione Questo avviene perch il fattore di scala mV g cresce mentre il rumore in volts rimane costante A Vs 3 6V la densit di rumore per gli assi X e Y tipicamente di 120ug VHz mentre con Vs 2V la densit di rumore sugli stessi assi di 270ug vHz Altri due parametri che dipendono dalla tensione di alimentazione sono la risposta al self test che in volt circa proporzionale al cubo della tensione per esempio con alimentazione a 3 6V la risposta del self test per gli assi X e Y circa 560mV mentre con alimentazione a 2V la risposta per gli stessi assi di circa 96mV ed il consumo di corrente che decresce al diminuire della tensione di alimentazione 4 6 VERIFICA FUNZIONAMENTO ACCELEROMETRO In questa fare iniziale dello sviluppo stato acquistato un sono ac celerometro per verificarne il funzionamento e l integrazione con il mote la possibilit di acquistare accelerometri in numero sufficiente da equipaggiare tutti i nodi verr vagliata in seguito 4 6 VERIFICA FUNZIONAMENTO ACCELEROMETRO L accelerometro viene collegato al connettore di espansione U2 del Tmote da questo prende l alimentazione e utilizza gli ADC per for nire i valori di accelerazione dei tre assi Il valore analogico di tensione proporzionale all accelerazione mi surata fortemente dipendente dalla tensione di alimentazione per questo la conversi
92. teristiche migliori per poter essere utilizzati all interno del progetto Altri possibili sviluppi riguardano l accelerometro Il dispositivo scelto compatibile con le specifiche del problema e si prevede l acquisto e l integrazione sui nuovi sensori Questo permet ter di sviluppare nuovi algoritmi che a partire dai valori ricevuti dall accelerometro siano in grado di individuare possibili situazioni di pericolo che richiedono un monitoraggio pi frequente della zo na Un ulteriore strada su cui concentrare gli sviluppi riguarda la creazione di un server web che mostri i dati rilevati attraverso una in terfaccia utente studiata per mostrare sia i dati correnti che lo storico degli spostamenti APPENDIX 77 SETUP DEL SOFTWARE In questa appendice vengono riportati i passaggi per installare il soft ware TinyOS 2 1 0 sul proprio PC con Ubuntu 11 10 Il manuale di installazione online del TinyOS 2 1 reperibile all indi rizzo http docs tinyos net index php Installing_TinyOS_2 1 riferito a versioni di Ubuntu pi vecchie di quella presente sul PC utilizzato per lo sviluppo Per tale versione 11 10 stato necessario eseguire i seguenti passaggi A 1 PACCHETTI UBUNTU Prima di installare TinyOS di deve aggiungere il repository di TinyOS nel repository source file Eseguendo il seguente comando sudo gedit etc apt sources list viene aperto il file sources list in una finestra di dialogo come il Figura 56 Dopo
93. ti a detriti che si autolocalizzano Nel secondo capitolo stata illustrata la soluzione proposta descri vendo l algoritmo di trilaterazione utilizzato per effettuare la stima della posizione dei nodi a partire dalle distanze misurate da essi e il suo sviluppo implementativo in C per permetterne l utilizzo all interno del progetto finale Il terzo capitolo riporta le analisi effettuare per quantificare la pre cisione dell algoritmo di trilaterazione proposto al variare dell errore introdotto nella misura delle distanze Tali analisi sono state effettua te sia in condizioni statiche quindi considerando i mote fermi sia in condizioni dinamiche quindi considerando l eventualit che si possa verificare uno spostamento di un nodo Le simulazioni svolte dimo strano la possibilit di avere un buon funzionamento dell algoritmo di trilaterazione se le distanze misurate hanno un errore di misura con una deviazione standard minore di 10cm Inoltre in questa condi zione si concluso che la disposizione dei nodi non influenza in mo do rilevante la stima delle posizioni infatti le due disposizioni dei no di considerate restituiscono un errore di stima sostanzialmente ugua le Diverso invece il comportamento dell algoritmo all aumentare dei nodi anc ra In questo caso essendo la rete di nodi pi vincolata l algoritmo di trilaterazione restituendo una stima delle posizione dei mote migliore Tale miglioramento per presente solo se l er
94. toriale sono quelli di Cancia vicino a Borca di Cadore Belluno del luglio 2009 che ha causato 2 morti e 300 sfollati Figura 4 e Brentino Bel luno Verona che nel dicembre 2009 stato letteralmente sommerso da pi di mille metri cubi di fango e detriti Figura 5 Figura 4 Foto del debris flow che ha colpito Cancia nel 2009 4 INTRODUZIONE Figura 5 Foto scattata da un abitante di Brentino Belluno durante il debris flow del 2009 1 1 1 Prevenzione e sistemi di allerta A causa dell elevata capacit distruttiva di questo fenomeno risulta conveniente monitorarne l attivit allo scopo di limitare perdite uma ne danni a centri abitati e vie di comunicazione allarmando tempesti vamente le autorit competenti La limitazione dei danni pu essere fatta agendo sulle cause che generano un debris flow o ostacolandone la propagazione quando gi esistente Si parla quindi di prevenzio ne attiva e prevenzione passiva La prevenzione attiva prevede di intervenire sui possibili alvei con opere di sanamento con una regimazione completa dei canali e il rafforzamento di tutte le strutture di contenimento dei versanti Tutti questi interventi comportano elevate spese richiedendo quindi ingen ti finanziamenti pubblici per questo motivo spesso si preferisce ricor rere alla prevenzione passiva La prevenzione passiva consiste nell installazione di opere di difesa che interferendo con una eventuale colata detritica ne impedi
95. uisce perch essendo le condizioni iniziali di ogni passo le stime restituite dall algoritmo per il passo precedente queste si av vicinano sempre di pi alla posizione reale diminuendo cos l errore nelle condizioni iniziali 3 3 CONCLUSIONI DELLA VALUTAZIONE SPERIMENTALE Le simulazioni effettuate in questo capitolo permettono di affermare che l algoritmo di trilaterazione presentato ha un buon comportamen to sia statico che dinamico con valori limitati di errore nella misura delle distanze In particolare per la condizione statica si pu osservare che se la mi sura della distanza ha un errore con una deviazione standard fino a 10cm l algoritmo pu essere considerato adatto per la trilaterazione mentre per la condizione dinamica tale errore porta a risultati meno buoni Un errore di questo tipo prevede che il 99 73 delle misure di distan za siano tali che d 35 lt d lt 38 d dove d la distanza esatta d la distanza misurata e la deviazione standard Quindi con 10cm si considera che il 99 73 delle misure abbiano un errore inferiore a 30cm rispetto alla distanza esatta La scarsa precisione nella stima delle posizioni in condizioni dina 40 ANALISI IN SIMULAZIONE miche non un grosso problema in quanto il sistema reale statico tranne per qualche circostanza esterna come il passaggio di un anima le fino all innesco di un debris flow Al verificarsi di questo evento la stima di posizione
96. uments Feb 2012 URL http ww ti com 12 G Pucci Metodi statistici per l identificazione di sistemi linea ri Dipartimento di Ingegneria dell Informazione Universita di Padova Gennaio 2011 13 IEEE Standards 602 15 4e 2012 IEEE Standard for Local and metropolitan area networks Part 15 4 Low Rate Wireless Perso nal Area Networks LR WPANs Amendment 1 MAC sublayer 2012 URL http standards ieee org findstds standard 802 15 4e 2012 html 83 84 BIBLIOGRAFIA 14 F Zanella Localizzazione e tracking multioggetto per reti di sen sori wireless PhD thesis Universit degli studi di Padova Dipartimento di ingegneria dell informazione 2008
97. zio ni appena fatte Come ci si aspettava da Figura 28 si vede che tutte le posizioni sti mate dei mote subiscono degli spostamenti a causa della variazione delle distanze utilizzate dall algoritmo 2 0F reali x x avanzamento reale e iniziali y v avanzamento stimato 1 8 A A finali e e 7 me P coordinata Y m Pi N 7 0 8 3 7 3 8 3 9 4 0 4 1 4 2 4 3 coordinata X m Figura 27 Evoluzione del nodo mobile con 10 passi da 5cm e 5cm 3 2 1 2 10cm Questa prova utilizza delle distanze con un errore maggiore osser vando Tabella 21 subito evidente che l algoritmo fatica a convergere ad una buona soluzione Nell esempio riportato in Figura 29 e Figura 30 oltre a confermare le osservazioni fatte mostra la fatica dell algo ritmo a mantenere una corretta stima della posizione dei mote che rimangono fermi 3 2 CONFIGURAZIONI DINAMICHE reali iniziali x avanzamento reale y v avanzamento stimato A A finali coordinata Y m 0 0 6 coordinata X m Figura 28 Evoluzione complessiva con 10 passe da 5cm e 5cm Tabella 21 Media e deviazione standard dell errore medio di stima per il nodo 6 con spostamento di 50cm in 10passi e 10cm Deviazione standard Tabella 22 Media e deviazione standard dell errore di stima per il nodo 6 nei tre passi valutati con 10cm fe fo Passo 0 67 0 35 0 31 0 53
98. zzazione si occupa quindi di iterare i calcoli riportati in 4 fino ad ottenere una stima delle posizioni Per comodit nello sviluppo del codice il vetto re delle posizioni dei nodi da stimare non nella forma riportata in 3 ma diviso in due vettori separati uno per le coordinate x e l altro per le coordinate y Cos facendo le coordinate di un generico nodo i sono memorizzate nella posizione i dei rispettivi vettori quindi se per esempio consideriamo il nodo 3 le sue coordinate x y sono memorizzate rispettivamente in x 3 e y 3 Tuttavia il vettore di stato z utilizzato per il calcolo delle variazioni delle coordinate per ogni iterazione h riportato in 4 deve essere uni co e contenere entrambe le coordinate di tutti i nodi Questo vettore SOLUZIONE AL PROBLEMA DELLA LOCALIZZAZIONE ottenuto accodando i due vettori delle coordinate x e y ottenendo un vettore nella forma riportata in 7 x X2 YI Y2 UnNodi Questa scelta progettuale stata fatta per semplificare il calcolo del vettore F z e della matrice F z Infatti se la derivata rispetto ad x di un nodo in posizione i la derivata rispetto ad y dello stesso nodo in posizione i nNodi dove nNodi rappresenta il numero di nodi effettivamente rilevati Come prima cosa per poter gestire un numero variabile di nodi il metodo void loc analizza la matrice delle distanze per capire quali mote non anc re ci sono e crea un vettore didascalia il quale l

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