An FPGA-based wireless sensor node for event-based control networks

The fourth industrial revolution is evolving at an exponential rate and with it, so does the wireless technology. In the control systems' field, this allowed the realisation of Wireless Networked Control Systems (WNCS), where the components may be distributed and the interchanged signals may have to travel significant distances. In wireless systems a key role is played by energy sources, since for apparent reasons, an increasing number of devices run on battery. This makes low power consumption a key objective to be pursued when design devices for wireless networks. A way to address such peculiar design requirements is to rely on event-based control, where an adaptive sampling approach is used so that sensor data is transmitted to the control unit only when a certain criterion has been matched, keeping the radio transceiver - the component which consumes more power on a network node - in a sleep mode in the meantime. The controller, in turn, updates the control variables only when an event is triggered and keeps its value constant otherwise, resulting in a reduction of the required computational power as well. This thesis presents an event-capable sensor node that triggers events through the ‘’Send on Delta’’ rule, extended with a timeout logic as both a keep-alive mechanism and a means to further reduce the average inter-transmission time. The main contribution here is the implementation of such a node on a Field Programmable Gate Array (FPGA) device as an effective way to make it immune to code tampering, thereby reducing the risk of security breaches at the edge of the control network. The presented design can be further engineered to obtain an Application Specific Integrated Circuit (ASIC), suitable for the industrial needs. The design is explained with enough detail to hopefully motivate other researchers to further develop the solution presented. Finally the influence of the node's design parameters on the performance of the control system is evaluated through some experiments carried on a laboratory device.

La quarta rivoluzione industriale si sta evolvendo a un ritmo esponenziale e, con essa, anche la tecnologia wireless. Nel campo dei sistemi di controllo, ciò ha permesso la realizzazione di Wireless Networked Control Systems (WNCS), i cui componenti possono essere spazialmente distribuiti rendendo necessario la trasmissione di segnali su grandi distanze. Nei sistemi wireless un ruolo chiave è giocato dalle fonti energetiche poiché, per evidenti ragioni, un numero crescente di dispositivi utilizza batterie come fonte di energia. Ciò rende il basso consumo energetico un obiettivo chiave da perseguire nella progettazione di dispositivi per reti wireless. Un modo per superare questa limitazione si basa sull'impiego di sistemi di controllo basati su eventi, nei quali viene utilizzato un metodo di campionamento adattivo tale per cui i dati raccolti dai sensori vengono trasmessi all'unità di controllo solo quando un determinato criterio è stato rispettato, mantenendo, nel frattempo, il ricetrasmettitore radio - il componente, all'interno del nodo, con il maggior consumo energetico - in una modalità a basso consumo. Il controllore, a sua volta, aggiorna le variabili di controllo solo in corrispondenza di un evento, con conseguente riduzione anche della potenza computazionale richiesta. In questa tesi viene presentato un nodo sensore in grado di generare eventi basandosi su una regola di scatto di tipo ‘’Send on Delta’’, a cui viene affiancata una logica di timeout impiegata sia come meccanismo per verificare costantemente il corretto funzionamento del dispositivo che per ridurre il tempo medio di trasmissione dei campioni. Il principale contributo fornito ne è l'implementazione su un dispositivo FPGA (Field Programmable Gate Array) quale efficace metodologia per rendere il dispositivo immune a possibili manomissioni e, quindi, per ridurre il rischio di violazioni della sicurezza agli estremi della rete di controllo. Il design ottenuto, poi, può essere ulteriormente sviluppato per ottenere un dispositivo ASIC (Application Specific Integrated Circuit), adatto alle esigenze del mondo industriale. Il design viene descritto con un accurato livello di dettaglio per dare la possibilità ad altri ricercatori di sviluppare ulteriormente la soluzione presentata. Infine, attraverso alcuni esperimenti condotti su un dispositivo di laboratorio, si è valutata l'influenza dei parametri di progetto del dispositivo generatore di eventi sulle prestazioni del sistema di controllo.