Wireless Sensor Networks: Enhancements and Applications

In social and scientific applications it is more and more frequent the need to perform data acquisition and to transmit such information for viewing, saving and processing. To achieve adequate tools and systems for monitoring large environments with a hundreds of sensors and actuators, it is increasingly clear that the wire-line communications is prohibitively and thus is an increased demand to use Wireless Sensor Network technologies. All these issues demand new platforms and tools to study and to develop Wireless Sensor Networks and Wireless Network Control Systems. In addition to this, the verification, and validation of control techniques, require new software modules and more complex simulators. This thesis aim to provide technological solutions on the WSN prototyping both from hardware and simulation point of view. Particularly, two novel wireless nodes have been designed and experimentally tested in two different real scenarios, while two software modules have been implemented and integrated in a complex simulator tool, in order to execute simulation trials to enhance the WSN performance. In order to reduce the prototyping time, the first novel stacked wireless platform has been developed and then tested in an experimental application with the main topic to develop a smart solid waste management. The standardization problem in a wireless node has been addressed presenting the second new modular wireless platform, and an experimental application for the manufacturing monitoring of a packaging factory to find real time performance indexes. Concerning the integration of WSN simulator into the rapid prototyping, the first new software module, called “GILOO”, a Graphical Integration of Labview and COOJA, has been designed. It enables to design and to debug control policy in a simulated or realistic scenario. In addition, the second module for a COntiki Os JAva Simulator (COOJA), has been designed in order to enable the test interface, and the direct interaction with the process control via the WSN.

All’interno di applicazioni scientifiche e sociali, nonché nei sistemi di controllo industriali o nei sistemi di building automation, è sempre più frequente la necessità di acquisire dati per poi successivamente trasmetterli per la visualizzazione, il salvataggio e l’analisi. Per progettare strumenti e sistemi adeguati per il monitoraggio su larga scala ed applicazioni con centinaia di sensori ed attuatori, è evidente che il sistema cablato di comunicazione può diventare estremamente proibitivo in termini di costi o tempo per l’installazione e quindi, si incrementa in maniera esponenziale l’esigenza di realizzare trasmissioni senza filo attraverso la tecnologia delle Wireless Sensor Network (WSN). Tutte queste nuove necessità e sfide richiedono sia delle piattaforme hardware innovative che degli strumenti di sviluppo più performanti per studiare e sviluppare sia le WSNs che le Wireless Network Control Systems. L’obiettivo descritto nella presente tesi è quello di sviluppare soluzioni tecnologiche avanzate per la prototipazione delle WSN sia da un punto di vista dell’hardware che della simulazione. In particolare, sono stati progettati due nuovi nodi sensoriali wireless che poi sono stati sperimentalmente testati in due scenari reali, mentre due moduli software sono stati implementati ed integrati in un simulatore Cross- Levels al fine sia di perfezionare le tecniche di prototipazione rapida di una WSN, che di eseguire prove di simulazione per migliorare le prestazioni della WSN stessa. Al fine di ridurre il tempo di prototipazione ed di incrementare l’utilizzo delle WSNs nella vita reale, è stata sviluppata una nuova piattaforma wireless “impilabile”. Questa è stata successivamente testata in un applicazione sperimentale per la gestione della raccolta, dello stoccaggio e del processo di trasferimento dei rifiuti con lo scopo di sviluppare un sistema di gestione intelligente. Il problema della standardizzazione dell’interfaccia hardware in un nodo sensoriale wireless, è stato risolto presentando un secondo nodo sensoriale “modulare” sviluppato. In particolare, la nuova piattaforma è stata utilizzata all’interno di un applicazione reale per il monitoraggio di una linea di produzione al fine di determinare gli indici di prestazione dell’impianto. Per quanto riguarda l’integrazione dei simulatori per le WSN all’interno del processo di prototipazione rapida, è stato sviluppato un modulo software, chiamato GILOO (Graphical Integration of Labview and COOJA). Questo permette di progettare e debuggare politiche di monitoraggio e controllo all’interno sia di scenari simulati che reali utilizzando. Inoltre, un altro modulo software è stato sviluppato per il simulatore Cross-Levels COOJA al fine di aggiungere ulteriori funzionalità all’interfaccia di test e inoltre per collegare il livello fisico emulato dei nodi con una connessione esterna al simulatore e interagire con esso per politiche di controllo.