Implementation of a wireless avionic sensor network on Raspberry Pi and Arduino

The advantages of emerging Internet of Things (IoT) and Wireless Sensor Network (WSN) technologies have allowed them to spread through many innovative applications. Recently the International Telecommunication Union (ITU) has allocated the bandwidth from 4.2 to 4.4 GHz to be used for the newly defined scope of applications called Wireless Avionics Intra Communications (WAIC) based on existing Wi-Fi and ZigBee standards. After a brief overview of the various benefits that these technologies can deliver to the aviation field we focus on the new technical challenges that avionics will have to meet if they implement this new technology, particularly the issues of synchronization in WSNs and the management of redundancy. Solutions to these challenges available in the literature are explored and discussed in the context of an avionic system. As the main focus of this thesis we have developed a proof-of-concept prototype using Commercial off the Shelf (COTS) devices such as Arduino, Raspberry Pi and XBee radio interfaces in order to test these solutions and discover potentially overlooked issues we built. While testing these solutions we discover that the issue of coordinator failure in ZigBee network that is a single point of failure for the whole network has limited solutions in the literature which are not suitable to be used in our hardware. We propose a novel solution to this problem which provides better performance than existing solutions in terms of network recovery time and is easily implemented on any hardware supporting the ZigBee standard, we then examine its impact on the aspect of synchronization in a WSN.

I vantaggi delle tecnologie emergenti quali l'internet delle cose e le reti di sensori wireless hanno permesso il loro impiego in molti settori di utilizzo innovativi. Recentemente l'International Telecommunications Union (ITU) ha allocato le frequenze nella banda tra 4.2 e 4.4 GHz per l'utilizzo di nuove applicazioni di comunicazione wireless all'interno di un veivolo. Queste nuove applicazioni si basano sulle tecnologie esistenti Wi-Fi e ZigBee. Dopo un sommario dei particolari benefici che queste tecnologie possono portare nel mondo dell'avionica abbiamo svolto uno studio delle problematiche che si verrebbero ad affrontare qualora questa venisse adottata in ambito avionico. In particolare ci siamo focalizzati sui problemi della gestione della ridondanza, indispensabile per l'avionica, e della sincronizzazione nelle reti wireless. Le soluzione attualmente disponibili nella letteratura scientifica sono prese in esame e viene studiata la loro applicabilità nel contesto avionico. Il principale contributo di questa tesi è lo sviluppo di un prototipo utilizzando componenti commerciali quali Arduino, Raspberry Pi e le interfacce radio XBee. Questo lavoro ci ha permesso di evidenziare le problematiche che potrebbero essere trascurate negli studi teorici. In particolare abbiamo scoperto che il guasto di un coordinatore in una rete ZigBee causa un unico punto di collasso per l'intera rete e le soluzioni a questo problema presenti nella letteratura non si adattano bene all'hardware preso in considerazione. Abbiamo quindi proposto una nuova soluzione a questo problema che sfrutta i punti di forza del protocollo ZigBee per fornire prestazioni migliori in termini di velocità di ripristino della rete e ne studiamo l'impatto sulla sincronizzazione della rete. Questa nuova soluzione non aggira le limitazioni del protocollo ZigBee ed è quindi implementabile in qualsiasi componente che supporta questo standard.