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Tecnologie Wireless�in applicazioni industriali

Sistemi di Misura Distribuiti

AA 2025-2026

Francesco Santoni

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Tecnologie Wireless in applicazioni industriali

Wireless: desiderato sia in ambito “consumer”, sia in ambito industriale
In ambito “consumer”, WiFi tende a integrare Ethernet
In ambito industriale, soluzioni wireless sono spesso viste con favore, in quanto:

Meno costose, relativamente alla installazione e alla manutenzione
Più adatte ad operare in ambienti “ostili”
Più adatte ad applicazioni che richiedono isolamento ambientale

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Tecnologie Wireless in applicazioni industriali

Meno costose per installazione e manutenzione
Più adatte ad operare in ambienti “ostili”

Dati: Phoenix Contact

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Tipiche applicazioni industriali del Wireless

Immagini: Phoenix Contact e CYNGN

Impiego sia a livello di rete di campo che di rete di controllo e di supervisione

AGV – Autonomous Guided Vehicle

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Tipiche applicazioni industriali del Wireless

Immagini: Phoenix Contact

Impiego sia a livello di rete di campo che di rete di controllo e di supervisione

Navette mobili per scaffalature

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Tipiche applicazioni industriali del Wireless

Immagini: Phoenix Contact e ICP DAS

Impiego sia a livello di rete di campo che di rete di controllo e di supervisione

Controllo di carriponte

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Tipiche applicazioni industriali del Wireless

Immagini: Phoenix Contact

Impiego sia a livello di rete di campo che di rete di controllo e di supervisione

Accesso wireless alle macchine.
Integrazione di parti di macchine di difficile accesso.

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Tipiche applicazioni industriali del Wireless

Immagini: Phoenix Contact

Impiego sia a livello di rete di campo che di rete di controllo e di supervisione

Sorveglianza e sicurezza, esempi:

Monitoraggio del livello di riempimento dei serbatoi
Controllo della temperatura
Misurazioni dei flussi
Stazioni di pompaggio e zone di pozzi
Monitoraggio delle pipeline
Monitoraggio delle perdite
Infrastrutture in parchi chimici
Impianti di trattamento delle acque
Collegamento di stazioni di pompaggio remote
Collegamento di pozzi remoti
Componenti rotanti (ad esempio in un ponte depuratore)
Monitoraggio del livello di riempimento

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Tipiche applicazioni industriali del Wireless

Immagini: Yokogawa

Impiego sia a livello di rete di campo che di rete di controllo e di supervisione

Monitoraggio e controllo distribuito infrastruttura.
Rete con topologia mesh ridondante ed espandibile.

PAS: Process Automation System

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Tecnologie Wireless in applicazioni industriali

Caratteristiche specifiche applicazioni industrial wireless:

Costi e consumi ridotti
Bitrate ridotto (da 100 kbit/s a qualche Mbit/s)
Semplicità di installazione
Scalabilità
No doppler (parti in movimento sono lente, max 20 km/h)

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Tecnologie Wireless in applicazioni industriali

Caratteristiche sistemi wireless rispetto a sistemi cablati:

Mezzo fisico non ha confini definiti e osservabili
Le stazioni non hanno una posizione fisica fissa
Topologia variabile nel tempo
Non sempre valida l’ipotesi di piena connettività (dispositivi mobili possono andare fuori portata o non in linea di vista, line-of-sight, LOS)
Meno affidabili delle reti cablate (rumore EM, multipath, e fading)
Trasmissioni half-duplex (in fase di trasmissione un nodo wireless non può ricevere, perché il suo stesso segnale offusca ogni altro eventuale segnale in arrivo)

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Tecnologie Wireless in applicazioni industriali

Modalità Ad Hoc

Dispositivi della WLAN dialogano liberamente tra loro.

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Tecnologie Wireless in applicazioni industriali

Modalità Infrastructure

Dispositivi della WLAN accedono alla rete Ethernet tramite un bridge, detto access point (AP), che la estende.
Basic Service Set – BSS: rete wireless in modalità infrastructure.
Un BSS è costituito da tutti i nodi wireless in grado di comunicare tra con AP.
Il BSS è identificato dall’indirizzo fisico (MAC address) dell’AP (Service set identifier – SSID).

Access point

Rete Ethernet cablata

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Tecnologie Wireless in applicazioni industriali

Le due modalità possono essere combinate, come nelle wireless sensor network – WSN.
La maggior parte dei nodi sono indipendenti e l’informazione viene trasmessa attraverso la rete usando questi nodi.
Ci sono uno o più nodi sink che raccolgono l’informazione e sono tipicamente connessi ad una LAN e/o ad internet.

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Criticità dei sistemi Wireless

Criticità dei sistemi Wireless:

Consistenza spaziale
Consistenza temporale
Multipath e fading
Arbitraggio decentralizzato ad autoselezione:

Problema del nodo nascosto (hidden node problem)
Problema del nodo esposto (exposed node problem)

Implementazione del determinismo temporale

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Criticità dei sistemi Wireless

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Criticità dei sistemi Wireless

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Criticità dei sistemi Wireless

Multipath

A causa di riflessioni e diffrazioni, diverse copie del segnale possono arrivare al ricevitore in tempi diversi e con intensità diverse. Modello del canale: tapped delay line

Copie del segnale provenienti da percorsi diversi possono provocare interferenza sia costruttiva che distruttiva
Fading: fluttuazione della potenza ricevuta causata dal multipath.

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Criticità dei sistemi Wireless

Arbitraggio decentralizzato

Gestione collisioni mediante CSMA-CA: Carrier Sense Multiple Access – Collision Avoidance
Prima di trasmettere il nodo ascolta il canale sulle frequenze di interesse. Se occupato (busy), applica un backoff.
Se libero (idle), trasmette
Non si può applicare CSMA-CD, perché quando un nodo trasmette, il suo stesso segnale offusca il proprio ricevitore. Non può quindi controllare il canale durante la trasmissione per rilevare la collisione.
CSMA-CA comporta i problemi del nodo nascosto e del nodo esposto.

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Criticità dei sistemi Wireless

Problema del nodo nascosto – Hidden node problem

Possibili collisioni se si hanno due nodi A e C fuori portata o non in vista tra loro ma entrambi in portata ed in vista con lo stesso nodo B.

Soluzione:

Il trasmettitore A invia request to send - RTS al ricevitore B.
B, se può ricevere, invia clear to send - CTS ad A che inizia a trasmettere.
Il trasmettitore C riceve il CTS di B indirizzato (mediante apposito campo nel relativo frame) ad A, e quindi non tenta trasmissioni a B.

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Criticità dei sistemi Wireless

Problema del nodo esposto – Exposed node problem

Si verifica quando un nodo (S2) in una rete wireless rileva la presenza di un altro nodo (S1) in trasmissione e quindi ritarda la sua trasmissione verso un ulteriore nodo (R2), anche se la sua trasmissione non interferirebbe con la prima trasmissione (verso R1, che è fuori portata per S2)

Soluzione:

Il trasmettitore C (S2) invia RTS al ricevitore D (R2)
C (S2) riceve CTS da D (R2)
B (S1) rileva RTS di C, ma non ricevendo CTS da D (R2) (fuori portata), può trasmettere ad A (R1)
Funziona se i nodi sono sincronizzati. Senza sincronizzazione B (S1) potrebbe non ricevere CTS da D (R2) in quanto non sincronizzato e non perché fuori portata

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Tecnologie Wireless in applicazioni industriali

Determinismo temporale

Come visto nelle precedenti lezioni, arbitraggio basato su CSMA-CA non permette un alto grado di determinismo.
Per ottenere un alto grado di determinismo è necessario un nodo controller che pianifica (scheduling) e gestisce l’accesso alla rete di tutti gli altri nodi mediante invio di specifiche richieste.
Si rende necessaria la sincronizzazione dei nodi, per la quale si fa riferimento allo standard Time Sensitive Networking - TSN

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