Analysis and performance enhancement of protocols for wireless sensor networks

In this thesis work the main characteristics of various transceiver modules that can be used in wireless sensor networks using Bluetooth Low Energy, ZigBee and LoRa have been studied. These protocols are often used in systems whose sensor nodes are battery powered, and are placed in hard-to-reach places for maintenance. For these reasons, the study of energy consumption and operating distances of wireless communication protocols has become a practice that lead to wireless sensor network optimization. The main goal of the work is to compare the characteristics of the three protocols under examination as fairly as possible, comparing their current consumption based on changes in signal strength and data transmission speed, and comparing the maximum achievable distances in open areas or in presence of obstacles. Initially the functioning of a wireless sensor network is explained, also listing the advantages and disadvantages over a wired sensor network. Then the three protocols in exam are introduced, listing their main characteristics and functioning. The focus is then centred on the energy consumption of the various transceiver modules based on the three protocols used, and based on the transmission characteristics used such as transmission power and data speed. Finally, a study on the antennas used and on the operational area of the three protocols was carried out, first using a simulator and subsequently with field tests.

In questo lavoro di tesi sono state studiate le principali caratteristiche di vari moduli ricetrasmittenti utilizzabili in sistemi wireless a nodi distribuiti, utilizzando i protocolli di comunicazione Bluetooth Low Energy, ZigBee e LoRa. Questi protocolli sono spesso utilizzati in sistemi i cui nodi sensoriali sono alimentati a batteria, e vengono posizionati in posti difficilmente raggiungibili per la manutenzione. Per questi motivi, lo studio dei consumi energetici e delle distanze operative dei protocolli di comunicazione wireless, è diventata una pratica che può portare all’ ottimizzazione dei sistemi a nodi distribuiti. L’obbiettivo è quello di comparare le caratteristiche dei tre protocolli in esame nel modo più equo possibile, confrontandone i consumi di corrente in base a cambiamenti di potenza del segnale e velocità di trasmissione dei dati, e confrontando le distanze massime raggiungibili in aree aperte o in presenza di ostacoli. Inizialmente viene spiegato il funzionamento di un sistema wireless a nodi distribuiti, elencandone anche i vantaggi e svantaggi da un sistema di comunicazione cablato. Di seguito i tre protocolli in esame vengoni introdotti, elencandone le principali caratteristiche e il funzionamento. Il focus è poi centrato sul consumo energetico dei diversi moduli ricetrasmittenti in base ai tre protocolli usati, e in base alle caratteristiche di trasmissione utilizzate come la potenza di trasmissione e la velocità dei dati. Infine è stato effettuato uno studio sulle antenne utilizzate e sull’ area operativa dei tre protocolli, prima utilizzando un simulatore e successivamente con dei test sul campo.