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WorldReUsable: un sistema low-cost per la consapevolezza energetica

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Oggi l’energia riveste un ruolo sempre maggiore. A livello nazionale l’utilizzo energetico a scopo civile è circa il 30% del totale e la spesa media per un nucleo familiare in Italia è circa il 5,9% del totale. Inoltre, a fronte di un costante taglio delle spese da parte delle famiglie, la spesa del consumo energetico casalingo nel 2013 è cresciuto di circa 2,9% rispetto al 2012 e del 6,9% rispetto al 2011 (Istat, 2014, p. 1). L’aumento dei costi è anche accompagnato da un fabbisogno energetico crescente favorito dalle sempre crescenti politiche di sensibilizzazione energetica e adeguamento tecnologico L’ICT può essere senza dubbio di supporto alle sfide energetiche del futuro, che già da oggi siamo chiamati a rispondere. Se da un lato molte sono le cose che facciamo attraverso l’informatica, dall’altro troppo poca è la comprensione egli effetti energetici delle nostre azioni. Ad esempio chiediamo ad uno smatphone di indicarci quanti passi abbiamo fatto in un giorno, ma difficilmente lo interroghiamo per indicarci quanta energia abbiamo consumato per utilizzarlo o ricaricarlo. Per questo motivo ho deciso di realizzare un progetto in grado di supportare l’utente in una maggiore consapevolezza energetica, che gli permetta di attuare una transizione energetica e culturale alla quale tutti siamo chiamati a rispondere dopo oltre 70’anni combustibili fossili che ci ha portati sull’orlo del disastro ecologico. Per fare questo è necessario comprendere il mondo che ci circonda, comprendere gli effetti delle nostre azioni e sulla base di queste prenderne semplicemente coscienza o attuare una strategia di miglioramento. Il passo fondamentale è comprendere il mondo che ci circonda, per questo ho deciso di realizzare il progetto WorldReUsable. Dal nome volutamente ricomponibile che esprime “un nuovo accesso al mondo che circonda” tale da ottenere un mondo usabile o riusabile. WorldReUsable ha nello specifico l’obiettivo di studiare le caratteristiche hardware e software di un sistema di monitoraggio dell’energia prodotta e utilizzata in -4- Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica un'abitazione con lo scopo di fornire informazioni agli occupanti tale da permettere un ottimizzazione dell’uso energetico. L’ottimizzazione dell’uso dell’energia non è un problema prettamente ingegneristico, ma è anche questione di “consapevolezza energetica” perché l’inefficienza energetica è in larga parte è legata al comportamento degli individui e della loro capacità di gestire il consumo energetico. Credo dunque utile e necessario fornire alle persone un’adeguata informazione dell’energia che fluisce in un’abitazione tale da costruire una consapevolezza dei propri comportamenti energetici. Per raggiungere l’obiettivo di tesi, come si vedrà, si è effettuato uno studio sulle tecnologie abilitanti, che oggi sono sempre più economiche e quindi alla portata di sempre più famiglie e aziende. Grazie alle importanti potenzialità offerte dalle Sensor Network a basso costo e l’utilizzo di tecnologie web per distribuire ed accedere informazioni, tutto quanto detto sino ad ora è possibile realizzarlo.
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CORSO DI LAUREA IN INFORMATICA
TESI DI LAUREA
WorldReUsable: un sistema low-cost per la
consapevolezza energetica
Relatore:
Prof. PAOLO BUONO
Laureando:
Domenico Monaco
ANNO ACCADEMICO 2013-14
Indice
Indice ............................................................................................................. 2
Introduzione .................................................................................................. 4
Capitolo 1. Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza
energetica 6
1.1 Home Energy Monitoring ............................................................. 6
1.2 Sensor-Network ............................................................................ 6
1.3 Piattaforme per le Senso Network .............................................. 39
1.4 Panorama “Smart” ...................................................................... 49
1.5 Approccio all’efficienza energetica ............................................ 58
1.6 I Dati ........................................................................................... 60
1.7 Distribuited Computing .............................................................. 65
Capitolo 2. Il progetto 71
2.1 Introduzione ................................................................................ 71
2.2 Contesto ...................................................................................... 73
2.3 Progettazione .............................................................................. 75
2.4 Componenti del sistema ............................................................. 76
2.5 Acquisizione dei Dati ................................................................. 78
2.6 Data Logging .............................................................................. 88
Capitolo 3. Prepocessing e Visualizzazione 96
3.1 Client/ Server .............................................................................. 96
3.2 Web Service e Dati ................................................................... 103
3.3 User Interface e Visualizzazione .............................................. 124
Conclusioni ................................................................................................ 185
Sviluppi futuri ........................................................................................... 191
Fonti Web .................................................................................................. 193
Indice delle figure ..................................................................................... 197
Biliografia .................................................................................................. 202
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
- 3 -
GLOSSARIO
ACRNIMO
TERMINE
DESCRIZIONE
AMI
Advance Meters
Infrastructure
Infrastruttura Avanzata di "contatori" per le
forniture di servizi quali Acqua, Gas ed Elettricità
BEMS
Building Energy Monitoring
System
Sistema di monitoraggio energetico degli edifici
BMS
Building Management
System
Sistema di gestione di un edificio
CSS
Cascading Style Sheets
Foglio di Stile
EMS
Eneery Management
System
Sistema di gestione energetica
HEMS
Home Energy Monitoring
System
Sistema di gestione energetica per abitazioni
HTML
Hyper Text Markup
Language
IHD
In-Home Display
Reti di sensori
SN
Sensor Network
SOA
Service-Oriented
Application
Applicazione orientata al servizio
UI
User Interface
Interfaccia Utente
UX
User Experience
Esperienza Utente
WSN
Wireless Sensor Network
Reti di sensori senza fili
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
- 4 -
Introduzione
Oggi l’energia riveste un ruolo sempre maggiore. A livello nazionale l’utilizzo energetico
a scopo civile è circa il 30% del totale e la spesa media per un nucleo familiare in Italia è
circa il 5,9% del totale. Inoltre, a fronte di un costante taglio delle spese da parte delle
famiglie, la spesa del consumo energetico casalingo nel 2013 è cresciuto di circa 2,9%
rispetto al 2012 e del 6,9% rispetto al 2011 (Istat, 2014, p. 1).
L’aumento dei costi è anche accompagnato da un fabbisogno energetico crescente
favorito dalle sempre crescenti politiche di sensibilizzazione energetica e adeguamento
tecnologico
L’ICT può essere senza dubbio di supporto alle sfide energetiche del futuro, che già
da oggi siamo chiamati a rispondere. Se da un lato molte sono le cose che facciamo
attraverso l’informatica, dall’altro troppo poca è la comprensione egli effetti energetici
delle nostre azioni. Ad esempio chiediamo ad uno smatphone di indicarci quanti passi
abbiamo fatto in un giorno, ma difficilmente lo interroghiamo per indicarci quanta
energia abbiamo consumato per utilizzarlo o ricaricarlo.
Per questo motivo ho deciso di realizzare un progetto in grado di supportare l’utente
in una maggiore consapevolezza energetica, che gli permetta di attuare una transizione
energetica e culturale alla quale tutti siamo chiamati a rispondere dopo oltre 70’anni
combustibili fossili che ci ha portati sull’orlo del disastro ecologico.
Per fare questo è necessario comprendere il mondo che ci circonda, comprendere gli
effetti delle nostre azioni e sulla base di queste prenderne semplicemente coscienza o
attuare una strategia di miglioramento.
Il passo fondamentale è comprendere il mondo che ci circonda, per questo ho deciso
di realizzare il progetto WorldReUsable. Dal nome volutamente ricomponibile che
esprime “un nuovo accesso al mondo che circonda” tale da ottenere un mondo usabile o
riusabile.
WorldReUsable ha nello specifico l’obiettivo di studiare le caratteristiche hardware
e software di un sistema di monitoraggio dell’energia prodotta e utilizzata in
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
- 5 -
un'abitazione con lo scopo di fornire informazioni agli occupanti tale da permettere un
ottimizzazione dell’uso energetico.
L’ottimizzazione dell’uso dell’energia non è un problema prettamente
ingegneristico, ma è anche questione di “consapevolezza energetica” perché l’inefficienza
energetica è in larga parte è legata al comportamento degli individui e della loro capacità
di gestire il consumo energetico.
Credo dunque utile e necessario fornire alle persone un’adeguata informazione
dell’energia che fluisce in un’abitazione tale da costruire una consapevolezza dei propri
comportamenti energetici.
Per raggiungere l’obiettivo di tesi, come si vedrà, si è effettuato uno studio sulle
tecnologie abilitanti, che oggi sono sempre più economiche e quindi alla portata di
sempre più famiglie e aziende.
Grazie alle importanti potenzialità offerte dalle Sensor Network a basso costo e
l’utilizzo di tecnologie web per distribuire ed accedere informazioni, tutto quanto detto
sino ad ora è possibile realizzarlo.
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
- 6 -
Capitolo 1.
Home Energy Monitoring, reti di
sensori ed efficienza energetica
1.1 Home Energy Monitoring
Con il termine di Home Energy Monitoring si intende l’attività di monitoraggio dei
dati energetici di un’abitazione nel contesto civile, che è differente dal monitoraggio
energetico industriale. È un ambito che considera una varietà eterogena di dispositivi,
tecnologie e metodologie che cooperano per raggiungere un obiettivo.
1.2 Sensor-Network
Il monitoraggio dei consumi può essere effettuato predisponendo un insieme di sensori
che singolarmente rilevano i consumi dei dispositivi casalinghi. Se collegati tra loro
costituiscono una rete di sensori (SN) eventualmente anche “senza fili” WSN (Wireless
Sensor-Network). Rispetto a tradizionali reti di comunicazione le SN hanno severi vincoli
di consumo energetico, bassa ridondanza dei dati e flussi molti-a-uno. Elaborazione,
rilevamento e comunicazione dei dati avvengono tramite piccoli dispositivi autonomi. I
dispositivi sono messi in una rete scalabile fino a centinaia o anche migliaia di unità, detti
nodi.
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
- 7 -
Nate in ambiente militare (una delle prime fu realizzata nel 1978, la Distributed
Sensor Nets Workshop (DAR) del Defense Advanced Research Projects Agency
(DARPA)) e scientifico, oggi le SN si trovano ovunque: monitoraggio ambientale,
monitoraggio della salute dell’uomo, tracciamento dei prodotti, automazione o
sorveglianza domestica, monitoraggio energetico casalingo e industriale, ecc…
È in atto una rapida evoluzione delle SN sia in termini di complessità che di
scalabilità, accompagnata da un aumento delle prestazioni tecnologiche e da nuove
esigenze di monitoraggio, anche grazie alla disponibilità di numerosi sensori in dispositivi
mobili, che sono anche dotati di connettività sempre attiva.
In letteratura è definito il ruolo delle SN, in particolare, può rappresentare il ponte di
collegamento tra il mondo reale ed il mondo digitale [rif.to].
Altri mettono in stretta relazione le SN con l’utilizzatore finale, infatti, una SN è
vista come “il sistema che mette in relazione le esigenze dell’osservatore finale rispetto al
fenomeno da osservare attraverso il “mondo digitale” [rif.to]. Per fare questo è necessario
ricorrere a tecniche di visualizzazione dei dati e a metodi per migliorare la user
experience’ legata al fenomeno osservato [9].
Figura 1 - Visione Sensor Network rispetto agli attori
1.2.1 Caratteristiche delle SN
Le SN sono sistemi distribuiti costituiti da nodi, detti “mote”, equipaggiati con
microcontrollori e diversi ingressi/uscite su cui sono collegati specifici sensori.
Esiste numerose piattaforme che permettono l’implementazione di una SN, e che si
differenziano per funzionalità e ambiti applicativi, tuttavia, si possono identificare alcuni
aspetti che caratterizzano una SN.
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
- 8 -
Figura 2 - Caratteristiche di una board per Sensor Network
Una SN consente di:
collegare un numero anche elevato di sensori;
elaborare i dati prodotti dai sensori;
trasferire i dati prodotti o elaborati;
Inoltre, i sensori devono:
avere dimensioni ridotte;
essere distribuiti e non collegate tra loro;
avere un basso consumo energetico;
essere autosufficienti.
A questi aspetti si rivolgono le sfide maggiori di ricercatori e aziende, senza contare
che la crescente domanda di dispositivi nelle applicazioni più disparate con relative
necessità specifiche dei singoli campi di applicazione.
Una SN si caratterizza anche a seconda del tipo di infrastruttura. Infatti, le
caratteristiche dei nodi di una SN ne influenzano:
l’installazione, più in particolare la semplicità d’installazione, le dimensioni,
l’autonomia, la mobilità e gli ingressi dei sensori;
l’affinità con il campo di applicazione, che può determinare la compatibilità
con particolari sensori;
la scalabilità del network
il costo del network
A favore dell’applicazione delle SN si sta assistendo all’aumento della presenza di
piattaforme generiche, a basso costo e di facile configurazione ed installazione.
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
- 9 -
1.2.2 Tassonomia applicazioni SN
Vi sono alcuni aspetti caratterizzanti della maggior parte delle SN ([7] [9]):
Obiettivo = {solo rilevamento, rilevamento e reazione} - i nodi possono
supportare esclusivamente la lettura dei dati o i sensori potrebbero essere
dotati di attuatori;
Campionamento = {periodico, su richiesta} - i dati sono letti in continuo, ad
un certo livello di campionamento oppure forniti su richiesta o in base al
verificarsi di certe condizioni;
Fenomeno monitorato = {singolo, multiplo} x {discreto, distribuito} - si
riferisce ai tipi di fenomeno sul quale è configurata la SN e al tipo di valori che
produce dal punto di vista matematico;
Frequenza di fornitura del dato = {basso, alto} - indica la velocità di
acquisizione dei dati;
Eterogeneità = {sensore, architettura} - Indica l’eterogeneità dei dispositivi, a
livello di sensore e di architettura utilizzata nella SN;
Mobilità = {mobile, stazione fissa o semi-mobile} - indica la mobilità dei
dispositivi di una SN, non sempre questo è necessario, ma quando lo è bisogna
anche indicare il luogo in cui è stato rilevato il dato;
Connettività = {sempre connesso, intermittente, sporadico} - dipende tipo di
comunicazione e da caratteristiche del nodo quali autonomia energetica,
mobilità o capienza del buffer di memoria;
Elaborazione = {filtro, compressione, aggregazione, tracking, rilevamento di
eventi, classificazione, decision making} x {nodo, network, gateway, server} -
mette a confronto le capacità di elaborazione dati rispetto ai dispositivi
utilizzati;
Memorizzazione = {caching, persistenza} x {nodo, network, gateway, server}
- sono messi a confronto le categorie di dispositivi con la capacità di
immagazzinamento dei dati raccolti;
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
- 10 -
Servizio = {localizzazione, ora sincronizzazione, autenticazione, criptografia,
riprogrammazione, riconfigurazione} - caratterizza alcuni servizi di base
spesso utilizzati nelle SN;
Tipologia di rete = {single-hop, multi-hop, single-hop broadcast, flooding,
collection, cluster} - categorizzazione del tipo di rete implementata nella
Sensor Network;
1.2.3 Architettura di una Sensor Network
Figura 3 - Anatomia di base della SN
Le componenti di base che compongono una SN sono:
Sensor-Node (Mote) dispositivo di base della Sensor Network che si fa carico
del rilevamento del dato, ed eventualmente dell’attuazione;
Gateway: dispositivo con compiti di networking e routing dei dati;
Network: infrastruttura utilizzata per la comunicazione tra i nodi, determina
molti altri aspetti della SN;
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
- 11 -
Server: punto di incontro tra la SN ed una rete esterna, spesso funge da ponte
con internet o sistemi di memorizzazione esterni, pre-processing e/o
visualizzazione;
1.2.4 Nodi
I nodi della SN, denominati Sensor-Node o Mote, hanno un architettura HW molto
simile tra loro. In diverse si può notare come l’architettura HW dipende dai requisiti
caratteristici di un Mote.
Un nodo è composto solitamente da 5 elementi di base: a) calcolo; b)
sensore/attuatore; c) comunicazione; d) alimentazione; e) memoria.
Figura 4 - Architettura Nodo
L’hardware per il rilevamento dei segnali: composto da sensori e attuatori,
connettori ed elettronica di supporto. Talvolta i sensori sono integrati nel nodo
rendendolo specific-purpose altrimenti il nodo supporta diversi tipi di
sensori attraverso connettori unificati diventando general-purpose”;
Memoria: si compone di moduli di memoria, sia RAM (svuotata ad ogni
riavvio del dispositivo) che ROM / Flash Memory (a lungo termine, adatta per
la memorizzazione di istruzioni;
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
- 12 -
Batterie e circuiti atti all’alimentazione: circuiti per la gestione energetica di
tipo autosufficiente o esterna;
Hardware per l’elaborazione: composto da un microcontrollore che include
un MCU o Processore e memoria interna;
Protocollo seriale: circuito per la comunicazione seriale
ADC: circuito per la conversione dei segnali analogici in valori discreti
Hardware per la comunicazione: possono farne parte componenti di diversa
natura ma tutti fungono da interfaccia con il modulo per la comunicazione
seriale incorporato dal microcontrollore.
Tipologia di Nodi
In base al ruolo ricoperto nella SN si possono distinguere [1]:
Nodi per impieghi specifici: basso consumo energetico, basso consumo di
banda che inviano dati numerici, spesso in radio frequenza e con un raggio
limitato;
Nodi per impieghi generici: con potenza di calcolo maggiore, con possibilità
di interfacciamento con sensori diversi e modalità di comunicazione più
flessibili, necessitano di più energia e sono di dimensioni più grandi;
Nodi con elevato consumo di banda: hanno un hardware più evoluto e
potenza di calcolo elevata, banda di comunicazione elevate e consumo
energetico non trascurabile.
La letteratura sui tipi di nodi e dispositivi delle SN è variegata come anche i
dispositivi in commercio. Talvolta vi sono nodi ibridi che assolvono particolari funzioni.
1.2.5 Gateway
I dati acquisiti dai nodi sono trasmessi ad un Gateway, che è un dispositivo con il compito
di mettere in comunicazione network diversi. In particolare, ha il ruolo di trasferire i dati
da un livello di rete inferiore ad un livello superiore, verso un server esterno oppure ad un
altro gateway. Possono essere composti da un unico dispositivo o da un insieme di
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
- 13 -
dispositivi all’interno della stessa SN e da essi dipende molto anche l’efficienza
dell’intera SN. [10] [33]
Figura 5 - Collegamento tra Sensor Node Gateway Server
Un gateway può essere dotato di uno stack software di più alto livello, pertanto deve
avere elevata potenza di calcolo, maggiore capacità di storage, connettività di diverso tipo
e deve possedere perfomance elevate. Il consumo energetico dei gateway non sempre lo
rendono un dispositivo energeticamente autonomo [22] [33].
Inoltre, si è già accennato che il campo di applicazione influisce pesantemente
sull’implementazione di una. Anche la scelta del Gateway dipendente dal campo di
applicazione.
Lo scopo del gateway può essere analizzato da due punti di vista e per
Dal punto di vista del Network: dove ci si focalizza sugli aspetti di rete
divenendo un Access Point Wireless per i Sensor Node o un Nodo Mesh per la
rete; Anche per questo motivo spesso in letteratura quando si parla di SN il
Gateway o la Base Station sono la stessa categoria di dispositivi;
Dal punto di vista dei dati: dove la ci si focalizza non sulla connessione ma sul
trattamento e/o trasferimento dei dati; [31] [32] [34] [36]
Tali prospettive suggeriscono che si possano identificare alcune funzionalità
principali per cui un GW è utilizzato in una SN:
(1) Collezione e trasmissione dei dati provenienti Sensor Node
(2) Ricezione / invio comandi ai Sensor Node
a. Su richiesta esterna oppure su base di un operazione di decision making
dello stesso dispositivo
(3) Ricezione / invio di avvisi sullo stato della rete e dei suoi dispositivi:
a. Guasti, stato delle batterie, stato delle memorie… ecc;
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
- 14 -
A prescindere dal tipo di network implementato o dal campo di applicazione della
SN, un requisito comune è la raccolta dei dati. Requisito che viene risolto in prima linea
da uno o più Gateway all’interno di una SN. [32][33]
1.2.6 Comunicazione
Questa sezione è trattata esternamente ai paragrafi “Nodi” e “Gateway” volutamente
perché di fatto gli uni dipendono dagli altri attraverso il tipo di comunicazione utilizzata
per effettuare il trasferimento di dati.
Seppur in questa sede non c’è la volontà affrontare in dettaglio la maggior parte dei
temi relativi alle modalità di comunicazioni dei sistemi di elaborazione è utile spendere
due parole su alcuni aspetti fondamentali della comunicazioni per mezzo di
microprocessori.
Quando parliamo di trasmissione di dati indichiamo lo scambio di informazioni
digitali tra due sistemi e può essere di due tipi: parallela o seriale.
Oggi quasi tutte le tecnologie di trasmissioni tra sistemi sono di tipo seriale, ma
nella maggior parte dei casi la caratteristica di serialità della comunicazione è
ampiamente mascherata dai chip, drivers e stack software per la sua gestione.
Nel nostro caso i dispositivi in gioco possono essere Sensor Node, Gateway o
Server Remoti. Analizzare la comunicazione seriale in questo caso diventa importante
data la caratteristica dell’HW e lo stack software a basso livello con cui si ha a che fare
quando si parla di Sensor Node.
Infatti i dispositivi che implementano nei Nodi la comunicazione seriale è realizzata
attraverso un dispositivo che nella stragrande maggioranza dei casi è integrato nel
microcontrollore stesso, dispositivo denominato UART/USART.
A tale dispositivo possono essere interfacciati una serie di dispositivi diversi che
effettuano la connessione con tecnologie e protocolli differenti.
Comunicazione Seriale
La trasmissione seriale tra dispositivi è effettuata trasferendo i bit uno di seguito all’altro
giungendo sequenzialmente al ricevente nello stesso ordine in cui sono stati inviati dal
trasmettitore. Tale trasmissione può avvenire in maniera sincrona o asincrona.
Sono utilizzate due parametri per misurare la velocità di trasmissione e sono:
Baud: numero d transizioni (simboli) per secondo
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
- 15 -
Bps: numero di bit trasmessi per secondo
Se il segnale trasmesso può assumere solo due valori (es. 0,1) allora baud e bps
corrispondono altrimenti si utilizza la seguente formula:
bps = ( bit segnale ) * baud
In una trasmissione seriale il ricevente per poter decodificare per poter decodificare
il segnale deve conoscere alcuni parametri:
Durata di ciascuna cella di bit
Inizio e fine di ogni gruppo di bit o carattere
Inizio e fine di ogni blocco di informazione
Nell’atto pratico tali parametri sono ottenuti in maniera differente in base al
fatto se si tratta di trasmissione sincrona o asincrona, dalla codifica e dal
circuito utilizzato.
1.2.6.1 Connessioni di una SN
Abbiamo accennato più volte ormai che il campo di applicazione della SN influisce
sensibilmente sulle caratteristiche dei singoli componenti nonché sul tipo di connessioni
che utilizzano.
D’altro canto è assodato che i dati sensoriali acquisiti dai Sensor Node sono
comunicati attraverso l’unità di connessione del Mote, verso un Gateway o un altro Nodo
a seconda della tipologia di network implementato (Figura 5).
Il Gateway si occuperà dunque di acquisire i dati dai Sensor Node ed effettuare il
trasferimento di tali informazioni verso un server remoto attraverso un’ulteriore network
per il quale esso fa da ponte, come abbiamo visto nei paragrafi precedenti (Figura 3).
Prendendo spunto da [1] si nota subito di come la gerarchia delle feature tipiche di
diversi device influisca pesantemente sui requisiti di connessione e quindi sulla tipologia
di connessione scelta.
I collegamenti in un network con i dispositivi finora identificati sono: a) Nodo-
Nodo; b) Nodo-Gateway; c) Gateway-Gateway; d) Gateway-Server.
Tale gerarchia corrisponde ad un crescente requisito di banda, distanza e consumo
energetico. In base alla distanza si possono individuare due gruppi di connessioni:
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
- 16 -
Nodo-Nodo e Nodo-Gateway: connessioni a breve distanza e bassi consumi
energetici, flusso dati modesto, inferiore a 500 Kbps;
Gateway-Gateway e Gateway-Server: connessioni da poche decine di metri a
distanze intercontinentali; Attenzione modesta per i consumi energetici in casi
particolari come “Gateway Mobili”; Grande importanza sulla sicurezza e
performance di trasmissione; banda da 500 Kbps a 10Mbps.
Tabella 1 Typical operating [1]
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
- 17 -
Tabella 2 Current [1]
Tipologie di Connessioni di una SN
La comunicazione tra device di una SN avviene pe mezzo di protocolli e tecnologie
diverse.
In una SN i livelli di interesse del modello ISO/OSI rappresentato in Figura 6 sono i
quattro più in basso, che sono stati progettati per altre tipologie reti [0]. Poiché non sono
adatti per le SN, negli ultimi anni la ricerca si è molto concentrata alla progettazione e
implementazione di protocolli di comunicazione più indicati, molti dei quali Wireless.
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
- 18 -
Figura 6 - Modello ISO/OSI
La tendenza globale della ricerca nelle tecnologie di comunicazione per SN si è
concentrata principalmente su due livelli:
Comunicazioni a basso consumo energetico tra nodi finali della rete che
coinvolge principalmente il livello Fisico e Data Link
Comunicazione tra Gateway e Server che coinvolge principalmente il livello
trasporto e applicazione
Di seguito si elenca alcune tecnologie e standard di comunicazione relativi a SN
significative.
RS-232 RS-422 - RS-458
Abbandonate da tempo nei dispositivi sul mercato le porte seriali sono ancora utilizzate
per hardware a basso livello o in campo industriale per via del costo estremamente basso
per la loro implementazione.
USB Ethernet FireWare Fibra Ottica
Sono tecnologie nettamente diverse tra loro, ma in comune hanno il fatto di essere
cablate. Sono relativamente poco utilizzate in ambito Sensor Network in cui le tecnologie
di comunicazione senza fili sono privilegiate, in taluni casi rappresentano però l’unica
soluzione percorribile. I motivi per cui si utilizzano tecnologie cablate sono:
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
- 19 -
Performance: l’USB3, l’ Ethernet 100Gbs, il FireWire 800 e la Fibra Ottica
dispongono di Bit Rate elevatissimi; utili per nodi Video, Audio, Hub o per
avere dati in tempo reale;
Sicurezza: le tecnologie cablate risultano di gran lunga più sicure di quelle
wireless che mal si prestano ad attacchi basati sull’intercettazione del segnale
radio.
Radio Frequenze
In elettronica tutto viene trasmesso ad un determinata frequenza (banda) attraverso
impulsi elettrici che viaggiano in un mezzo di trasmissione, che si tratti di un cavo in
rame o l’etere. Un settore di ricerca a è quello delle “trasmissioni wireless”,
caratterizzate dalla ricetrasmissione di informazioni su lunghe distanze nell’etere
attraverso l’uso dell’elettromagnetismo con Sistemi a Radio frequenza che operano
tipicamente su un intervallo di frequenze che varia da qualche KHz a diverse decine di
Giga Herzt.
L’uso di una determinata frequenza piuttosto che un’altra dipende anche dal mezzo
di trasmissione.
Le frequenze più importanti nelle telecomunicazioni sono: LF low-frequency
(30KHz), MF medium-frequency (300 KHz), HF hight-frequency (3MHz), VHF very
hight-frequency (30MHz), UHF ultra hight-frequency (300MHz), SHF super hight-
frequency (3GFGHz), EHF extra hight-frequency (30GHz).
Generalmente il segnale elettrico in banda base attraverso i circuiti elettrici va da
quale Hz a qualche MHz mentre le telecomunicazione attraverso radio frequenze variano
generalmente da 300KHz a 3Ghz. [38][39][40]
Standard 802.x
I protocolli ed i servizi specificati negli standard 802 si trovano nei due livelli più
bassi (fisico e Data Link) dello standard ISO-OSI. I protocolli 802 suddividono lo strato
OSI DLL in due sotto-strati, chiamati Logical link control (LLC) e Media Access Control
(MAC), in modo tale che gli strati 802 possono essere indicati in questo modo [99]: a)
Data link layer; b) Sotto-strato LLC; c) Sotto-strato MAC; d) Strato fisico (Phy). Per la
lista completa degli standard si veda [99]
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
- 20 -
Figura 7 - Famiglia 802.x [41]
I principali standard di interesse per questo lavoro di tesi fanno parte delle categorie
“personal area networks” (PANs), “local area networks” (LANs), “metropolitan area
networks” (MANs), e le “wide area networks” (WANs), rispettivamente definiti dai
Gruppi di Lavoro IEEE [41]: Ethernet (IEEE 802.3); Wireless LANs (IEEE 802.11);
Wireless PANs (IEEE 802.15); Broadband wireless networks (IEEE 802.16); Mobile
broadband wireless networks (IEEE 802.20).
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
- 21 -
Figura 8 - Tabella Coesistenza Standard 802.x [41]
Broadband Wireless Networks (BWA): WAN e MAN - IEEE 802.20 e IEEE 802.16
La “Metropolitan Area Network” (MAN) tradotta in italiano in “rete metropolitana”
è una tipologia di rete di telecomunicazioni con un'estensione limitata al perimetro
metropolitano [99]. Le WAN hanno un'estensione territoriale pari a una o più regioni
geografiche. Più MAN formano una WAN e fanno parte di questa categoria i protocolli
che implementano connessioni tra dispositivi posti a grandi distanze.
Figura 9 - Panorama delle connessioni Wireless n.1
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
- 22 -
Gli standard per i protocolli Fisici e Data Link sono definiti da IEEE 802.16 e
802.20 mentre le frequenze generalmente sono gestite a livello internazionale che in parte
ne concedono l’uso esclusivo compagnie telefoniche, ISP e altre organizzazioni, altre
invece vengono lasciate libere [41].
In Italia sono regolamentate dall’AGICOM che definisce la sigla BWA come le:
“frequenze in banda 3.5 GHz utilizzabili per l'offerta di servizi di tipo accesso a larga
banda, in modalità fissa, nomadica e mobile. Tra tali sistemi sono inclusi quelli noti con
la terminologia WiMAX”. Tale categoria è compresa tra 3,3GHz e 3.6Ghz.
Alla categoria di Broadband Wireless Access fanno parte le connessioni LTE:
GSM/UMTS; High Speed Packet Access (HSPA); WiMAX [AGICOM].
Il loro scopo è dunque quello di offrire accesso a banda larga tra dispositivi su
scala territoriale regionale.
BWA e WSN
Questa categoria di accesso, seppur costosa e di non facile implementazione, risulta
particolarmente interessante per dispositivi mobili con requisiti di “connessione” elevati
ed allo stesso tempo collocati in aree geografiche in cui l’accesso alla rete internet
tradizione (ADSL) risulta impossibile o estremamente difficoltoso ad esempio per device
o collocati in alta montagna. Risultano connessioni ottimale sia per i Sensor Node che per
Gateway avendo a disposizione banda e performance sufficienti a gestire una gran
quantità di dati.
Oggi è ancora disponibile la tecnologie GSM, ma orma è in smantellamento, la
quale in passato ha fornito alle WSN l’unica modalità di connessione mobile su grandi
distanze utilizzando ad esempio lo scambio di SMS tra dispositivi Sensor Node e
Gateway.
Bluetooth (WPAN - IEEE 802.15.1 2.4GHZ)
Nelle telecomunicazioni Bluetooth (BT) è uno standard di trasmissione dati per reti
personali senza fili, in particolare è uno standard definito inizialmente dalla IEEE
802.15.1 per realizzare reti PAN senza fili (WPAN: Wireless Personal Area Network).
Operando nelle frequenze libere comprese tra 2.4 e 2.485 GHz.
Questo standard è stato progettato con l'obiettivo primario scambiare informazioni
tra dispositivi diversi con bassi consumi energetici, a corto raggio d'azione (fino a 100
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
- 23 -
metri di copertura per un dispositivo di Classe 1 e fino ad 1metro per dispositivi di Classe
3) ed un basso costo di produzione.
Il protocollo Bluetooth nella versione 4.0 arriva ad una velocita di 24 mbps (3 MB
al secondo). Questa modalità però aumenta la potenza assorbita.
I dispositivi dotati di Bluetooth si dividono in 3 classi:
Classe Potenza (mW) Potenza (dBm) Distanza (m)
Classe 1 100 20 ~ 100
Classe 2 2,5 4 ~ 10
Classe 3 1 0 ~ 1
Le versioni di Bluetooth attualmente sono 4:
Version Data rate Max. application throughput
1.2 1 Mbit/s >80 kbit/s
2.0 + EDR 3 Mbit/s >80 kbit/s
3.0 + HS 24 Mbit/s See Version 3.0 + HS
4.0 24 Mbit/s See Version 4.0 LE
WLAN (WIF-IEEE 802.11.x 2,4GHz e 5GHz)
Il termine Wi-Fi, nel campo delle telecomunicazioni, indica una tecnologia ed i relativi
dispositivi che consentono a terminali di utenza di collegarsi tra loro attraverso una rete
locale in modalità wireless detta WLAN (Wireless Local Arena Network) inizialmente
definito dallo standard IEEE 802.11.
Esistono varie classi di Wi-Fi con prestazioni diverse, le principali sono elencate
Tabella 3:
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
- 24 -
Tabella 3 Standard IEEE 802.11
Il simbolo Wi-Fi, termine con cui si identificano in genere i dispositivi 802.11 ed
indica l'appartenenza del dispositivo alla Wi-Fi Alliance (di cui fanno parte Cisco,
Netgear, Nokia, Intel, Broadcom, Philips, Asus, ecc.). L'organizzazione è nata con
l'obiettivo di certificare l'interoperabilità di prodotti 802.11, portando ad una comune (o
comunque interoperabile) implementazione di quelle parti dello standard lasciate libere al
costruttore.
La famiglia 802.11 consta di quattro protocolli dedicati alla trasmissione delle
informazioni (a, b, g, n), la sicurezza è stata inclusa in uno standard a parte, 802.11i. Gli
altri standard della famiglia (c, d, e, f, h, …) riguardano estensioni dei servizi base e
miglioramenti di servizi già disponibili.
Il primo protocollo largamente diffuso è stato il b; in seguito si sono diffusi il
protocollo a e soprattutto il protocollo g. L'802.11b e 802.11g utilizzano lo spettro di
frequenze nell'intorno dei 2,4 GHz.
WiFi WLAN e WSN
Raramente i Sensor Node sono dotati di modulo WiFi a differenza dei Gateway che il più
delle volte ne sono dotati in alternativa o in concomitanza delle connessione Ethernet.
La connessione WiFi offre prestazioni in termini di velocità di trasmissione
elevatissime con un elevato consumo di energia che la maggior parte dei Nodi finali della
SN non possono permettersi dati i requisiti stringenti. Inoltre seppur composta da
standard per la connessione mobile, le di stanze che un’infrastruttura di questo tipo copre
sono di poche decine di metri.
Dunque gli unici dispositivi adatti a questo tipo di tecnologia sono i Gateway o
Sensor Node Statici in cui esiste la possibilità di una linea di alimentazione continua.
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
- 25 -
Comunicazioni Wireless per SN
Fino ad ora abbiamo trattato standard di rete “tradizionali”, che in molti casi non si sono
rivelate particolarmente adatte al contesto WSN tranne che in particolari contesti o
dispositivi i requisiti lo permettevano.
Il panorama delle connessioni Wireless è sempre stato molto “attivo” ed oggi lo è
ancor più grazie alle crescenti necessità dei dispositivi mobili con requisiti sempre più
stringenti in termini di costi, consumo energetico e velocità. Tanto che la ricerca e di
gruppi per la definizione di standard hanno prodotto un numero interessante di soluzioni
con particolare attenzione agli aspetti:
Low-Cost: bassi costi di produzione ed implementazione ottenuti utilizzando
radio frequenze libere e gestibili con circuiti logici economici
Low-Power: basso assorbimento energetico nei limiti di potenza imposti;
Low-Rate: a basso bit-rate di trasmissione, in contrapposizione ai tradizionali
metodi connettivi;
Sino ad ora abbiamo osservato standard WAN, MAN, LAN e le PAN ora
affronteremo gli standard a corto raggio d’azione specificatamente realizzati per crescente
interesse verso l’IoT, Smart Device e Sensor Network, le cosiddette LR-WPAN. Lo
standard principale a cui fa riferimento questo tipo di tecnologia è la 802.15.x, standard
inizialmente concentrato su le WPAN basate su Bluetooth. In seguito è stato suddiviso in
due sottogruppi [49]:
802.15.3 WPAN hight-speed
802.15.4 LR-WPAN: Low-complessity, low-power, low-rate Connettività
Wireless attraverso dispositivi low-cost;
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
- 26 -
Figura 10 Panorama connessioni Wireless n.2
Le connettività LR-WPAN risultano tra le più interessanti tecnologie di connettività
per le Sensor Network. [49] Tra le più popolari troviamo la ZigBee, una specifica Open
per la realizzazione di connettività Wireless Low Power che completa gli standard LR-
WPAN [49] attraverso livelli di sicurezza e di applicazione; Il panorama LR-WPAN
risulta comunque molto variegato e in forte mutazione, sintomo dei crescenti interessi
verso questo tipo di connettività, di seguito analizzerò alcune tecnologie e standard in
linea con i principi delle LR-WPAN ed in generale delle connettività Wireless con
requisiti di risparmio energetico, costi senza la necessità di elevati standard di velocità.
Bluetooth Smart - Bluetooth LowEnergy
A testimonianza del crescente interesse verso questo tipo di tecnologia troviamo una
versione del popolare protocollo Bluetooth introdotto ufficialmente con la specifica 4.0
dello stesso.
Bluetooth low energy (Bluetooth LE, BLE, brandizzata come Bluetooth Smart) è
una specifica per la realizzazione WPAN che rispetto alla specifica classica del
BlueTooth realizza un considerevole riduzione dei consumi energetici mantenendo
pressoché immutati le prestazioni di copertura e connettività del Bluetooth Classico.
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
- 27 -
Tale tecnologie è stata inizialmente introdotta con il nome di WeBree da Nokia, in
seguito è stata assorbita dallo standard Blutetooth adottandola nelle specifiche della
versione 4.0. [99]
Il grande interesse che ricopre tale tecnologia è la possibilità di disporre di una
WPAN a basso consumo energetico mantenendo immutata la compatibilità con le
versioni precedenti del Bluetooth.
IEEE 802.15.4 LR-WPAN
È uno standard per la realizzazione delle LR-WPAN definendo il livello fisico
(PHY - Physical) ed mezzo di accesso (MAC medium access controll) ed opera nelle
frequenze radio ISM 2.4GHz. [51] [48]
Come già accennato è stato definito allo scopo di fornire uno standard a livello
fisico e di accesso per reti flessibili, basso costo, basso consumo energetico e basso bit-
rate. Definito dunque per quei dispositivi che attraverso particolari requisiti non
dispongono di elevate prestazione e non supportano stack o più pesanti come il TCP/IP.
[51]
Lo standard definisce tre tipi di dispositivi logici [49]:
PAN coordinator
Coordinator
End Device
Il PAN coordinator è il dispositivo di controllo primario del PAN, si occupa
dell’inizializzazione del Network ed opera spesso come un “gateway” per la rete LR-
WPAN.
Per ogni PAN è necessario esattamente un “PAN Coordinator”, dunque più PAN
basate su 802.15.4 possono comunicare tra loro attraverso i loro rispettivi PAN
Coordinator i quali possiedono capacità di Routing e operazioni di “Self-Organizzation”.
I dispisitivi finali della PAN non possiedono capacità di ROUTING e possono
comunicare solo con il loro “PAN Coordinator”. [49]
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
- 28 -
Figura 11 - Categorie di device nella 802.15.4 [49]
A causa dei requisiti stringenti dei dispositivi il protocollo può essere essere
realizzato con piattaforme molto semplici e di basso costo che lo standard realizza le tre
categorie di dispostivi attraverso due architetture dettagliate di dispositivi completi di
requisiti quali tipologia di device, struttura del frame e consumo energetico [48]. I
dispositivi sono:
RFD: Reduce Function Device
FFD: Full Function Device
Mentre l’RFD può operare solo in modalità END-DEVICE, un dispositivo RFD può
comunicare con solo con un FFD, mentre Un FFD può comunicare con RFD ed altri FFD
e può operare in 3 maniere differenti [48]:
PAN Coordinator
Coordinator
End Device
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
- 29 -
Come accennato prima l’IEE 802.15.4 opera nell’albero delle frequenze libere
2.4GHz ISM, in particolare può disporre dei seguenti bit-rate: 250kb/sec nelle bande
2.4GHz, 40kb/sec nelle bande 915MHz,20kb/se nelle bande 868MHz. Allocando un
totale di 27 Canali suddivisi [48]16 canal i sul bande 2.4GHz, 10 canali sulle bande
915MHz, 1 canale su gli 868MHz.
Operando nelle frequenze 2.4Ghz il protocollo 802.15.4 può essere soggetto ad
un certo grado di interferenze causato dalla presenza di numerosi altri
protocolli quali WiFi 802.11b e il Bluetooth 802.14.1 che occupano il
medesimo spazio di frequenze libere 2.4Ghz ISM. [45]
Lo standard 802.15.4 definisce la realizzazione due tipologie di reti:
Star (stella)
P2P Peer-to-peer
Figura 12 - Tipologia di rete per le WSN [48]
Nella rete in configurazione Star la comunicazione avviene dai dispositivi finali
(FFD, RDF) verso un unico device centrale, il PAN Coordinator. Come in un albero il
PAN coordinator funge da “radice”, FFD da Nodi ed infine da RFD da foglie che
rappresentano l’inizio e la fine della rete. [45]
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
- 30 -
Nella configurazione a in P2P Peer-to-peer ogni device nella rete può comunicare
con qualsiasi altro device nel suo raggio di azione. Anche in questa configurazione d’altro
canto troviamo un unico PAN Coordinator che funge da radice del network. Tale
configurazione di rete permette diverse varianti di organizzazione della rete quale: ad-hoc
o self-organizzation network;
PHY: Il livello fisico è realizzato per supportare due operazioni attraverso il Direct
Sequence Spread Spectrum (DSSS), una tecnologia di trasmissione che necessità di
circuiti logici molto economici e semplici. Realizzando l’interfaccia tra i canali radio ISM
e il livello MAC. [45] [99].
PPDU - PHY PROTOCOL DATA UNIT o Pacchetti del livello Fisico contengono:
Preambolo, Start of packet delimiter, packet length, Payload field o PHY PSDU (service
data unit).
Figura 13 - Struttura PPDU (PHY Protocol Data Unit della 802.15.4) [45]
Il livello fisico (PHY) è responsabile del:
Le caratteristiche e i compiti del livello fisico sono i seguenti:
Attivazione e spegnimento del trasduttore radio (radio transceiver).
Energy Detection (ED), rilevamento della potenza sul canale radio.
Link Quality Indication (LQI), indicazione della qualità del canale radio.
Selezione del canale di comunicazione.
Clear Channel Assesment (CCA), riconoscimento di canale libero o occupato.
Trasmissione e ricezione di pacchetti sul canale radio.
Cuore del livello MAC (medium access control) del IEEE 802.15.4 è il suo
algoritmo di accesso al mezzo CSMA/CA (acronimo inglese di Carrier Sense Multiple
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
- 31 -
Access with Collision Avoidance, protocollo di accesso multiplo utilizzato anche dal
802.11. [45][99]
I compiti del Livello MAC sono:
Gestione dei beacon
Accesso al canale
Gestione dei GTS
Controllo sui frame
Invio dei pacchetti di conferma (ACK)
Associazione e disassociazione da una rete
La specifica LR-WPAN distingue 4 tipologie di struttura del datagrammma a
livello MAC studiate appositamente per ridurre al minimo la complessità, ma al tempo
stesso per garantire la robustezza, costituiti al massimo da 127 byte (molto pochi se
paragonati ai pacchetti di altri standard radio che solitamente sono di 512 byte)[51]:
Beacon Frame: usato dal coordinatore
Data frame usato per il trasferimento dati.
Acknowledgment Frame: usato per confermare la corretta ricezione di un
frame (non contiene il campo indirizzi n´e il campo dati).
MAC command frame: usato per controllare e configurare i nodi.
Ogni dispositivo possiede un indirizzo IEEE univoco di 64 bit. L’utilizzo di un
indirizzo così lungo può essere eccessivo (esisto infatti circa 1.84 · 1019 possibili
indirizzi diversi) nelle applicazioni più comuni.
Esiste una versione a 16 bit dell’indirizzo che viene usato all’interno delle PAN.
Quando un dispositivo si unisce ad una PAN gli viene assegnato un indirizzo a 16 bit (un
po’ come gli indirizzi IP privati del tipo 10.x.x.x utilizzati nelle LAN) che viene
mantenuto finchè il dispositivo non abbandona la rete (con una procedura specifica) e
permette di indirizzare fino a 65535 dispositivi, valore decisamente accettabile per ogni
applicazione nell’ambito delle WPAN. [51]
ZigBee & IEEE 802.15.4
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
- 32 -
Figura 14 Stack del protocollo ZigBee
ZigBee e 802.15.4 sono spesso utilizzati come sinonimi, ma in realtà sono
complementari, in quanto ZigBee è insieme di protocolli di comunicazione ad alto livello
(dal livello rete al livello applicazione) basati sullo standard IEEE 802.15.4 che definisce
i livelli PHY e MAC. Entrambe realizzano specifiche per la realizzazione di PAN dal
basso costo, basso consumo energetico, ridotto bit-rate per comunicazioni wireless a corto
raggio (dell’ordine della decina di metri).
La specifica ZigBee 1.0 è stata approvata il 14 dicembre 2004 ed è disponibile ai
membri della ZigBee Alliance. Le tecnologie basate sulle specifiche ZigBee intendono
realizzare una connettività Wireless con una minore complessità realizzativa /
implementativa che ne abbatta i costi rispetto ad altre tecnologie WPAN come il
Bluetooth. [99] [47][48] [49]
In linea con lo standard 802.15.4 esistono diversi tipi di dispositivi ZigBee:
ZigBee Coordinator (ZC): è il dispositivo più "intelligente" tra quelli
disponibili, costituisce la radice di una rete ZigBee e può operare da ponte tra
più reti. Ci può essere un solo Coordinator in ogni rete. Esso è inoltre in grado
di memorizzare informazioni riguardo alla sua rete e può agire come deposito
per le chiavi di sicurezza.
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
- 33 -
ZigBee Router (ZR): questi dispositivi agiscono come router intermedi
passando i dati da e verso altri dispositivi.
ZigBee End Device (ZED): includono solo le funzionalità minime per
dialogare con il suo nodo parente (Coordinator o Router), non possono
trasmettere dati provenienti da altri dispositivi; sono i nodi che richiedono il
minor quantitativo di memoria e quindi risultano spesso più economici rispetto
ai ZR o ai ZC. [99][46] [47] [48] [49][52]
6LoWPANb Ipv6 over LR-WPAN
6LoWPAN è l’acronimo di “IPv6 over Low power Wireless Personal Area
Networks”. L’idea iniziale del 6LoWpan è che i “protocolli Internet possono essere
applicati anche ai piccoli device” con requisiti particolari quali basso consumo energetico
e limitate capacità di computazione al fine di realizzare il cosiddetto “IoT.
Figura 15 - Stack del protocollare del TCP/IP e del 6LoWPAN a confronto rispetto all’ISO OSI
La differenza che sta nel 6Lo2WPAN rispetto ad altri standard LR-WPAN quello di
sfruttare lo stack protocollare internet anche sui quei dispositivi con destinati a WSN, IoT
e Tecnologie Smart.
È un adattamento del protocollo ipV6 sullo standard 802.15.4. Tale aspetto unisce i
vantaggi dell’utilizzare lo stack protocollare per le connessioni più diffuso al mondo con
il crescente campo dei dispositivi che implementano Sensor Network, IoT ed in generale
tutte le tecnologie Smart. [99]
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
- 34 -
E’ interessante analizzare come la letteratura analizzi con criticità l’uso delle
comunicazioni basate su IP per Sensor Node di una WSN, ma d’altro canto presta molta
attenzione alla possibilità di utilizzare i Web Services nel dominio del WSN. [56]
Senza dubbio è interessante la possibilità di utilizzare gli standard Internet in campo
LR-WPAN.
ANT+ 2.4 Ghz
Differentemente da gli altri ANT+ è un protocollo proprietario che non si basa sullo
standard 802.15.3, ma è progettato ed utilizzato di interconnettere dispositivi a corto
raggio attraverso le frequenze ISM 2.4.GHz.
Figura 16 Tipologia di network supportati da ANT+
Il vantaggio di questo sistema è dato dalla semplicità di utilizzo nel creare soluzioni
estremamente personalizzabili con prestazioni molto elevate che al momento sono solo
promesse da soluzioni concorrenti quali la stessa ZigBee e BlueTooth.
Tabella 4
Lo standard ANT+ è molto utilizzato nel campo del fitness e del benessere
personale in dispositivi quali: cardiofrequenzimetri, computer bike, contapassi; Altro
dettaglio molto importante è la possibilità di trovare in commercio un numero
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
- 35 -
significativo di smartphone dotati di sensori ANT+, caratteristica inesistente per ZigBee
ad esempio.
Comunicazione SmartGrid
In seguito è affrontato il tema delle SmartGrid, ma prima sono dati dei cenni ad una
tecnologia di comunicazione di interesse per questa tesi dal punto di vista storico e
tecnico.
Power-line communication
PowerLine Comunication (abbreviato con PLC) è una tecnologia in grado
trasportare dati sullo stesso mezzo trasmissivo utilizzato contemporaneamente per il
trasporto di energia elettrica alternata.
La tecnica è utilizzata da decenni, per trasmissioni con treni in marcia, per
controllare apparati elettrici tramite la propria rete di alimentazione, per leggere contatori
elettrici remotamente ecc.
La comunicazione PowerLine si realizza sovrapponendo al trasporto di corrente
elettrica, continua o alternata a bassa frequenza (50 Hz in), un segnale a frequenza più
elevata che è modulato dall'informazione da trasmettere.
Interessante è l’utilizzo nel campo della domotica con l'utilizzo di vari standard
quali l'X10 (diffuso soprattutto negli Stati Uniti). Il vantaggio rispetto ai sistemi
tradizionali sta, oltre che nel risparmio di parte del cablaggio, nella possibilità di
modificare con estrema semplicità il funzionamento della stessa rete trasferendo
informazioni attraverso la stessa.
Una tecnologia powerline molto diffusa in tutto il mondo ed anche in Italia è quella
basata sul protocollo LonWorks, ora anche standard ISO 14908-1-2-3-4, infatti su questo
protocollo è basato il contatore che Enel installa da qualche anno che è in grado di fare la
telelettura e le modifiche contrattuali da remoto.
Inoltre è utilizzato in ambito di reti locali per le abitazioni e/o piccoli uffici,
attraverso il consorzio HomePlug che consente la creazione dell'equivalente di una rete
ethernet tramite l'utilizzo del normale impianto elettrico casalingo.
Risulta dunque una tecnologia oltre che largamente utilizzata estremamente
interessante in tutte quelle situazioni in cui falliscono tecnologie tradizionali.
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
- 36 -
1.2.7 Altri protocolli
Vi sono molti altri protocolli che per motivo di spazio non possono essere trattati in
questo documento, per esempio: Z-Wave, MiWi, WeBree, DASH7, EnOcean, Insteon,
MyriaNed, One-Net, OSIAN, X10, HomePNA, WirelessHART [se qualcuno o da
qualche parte c’è questo elenco descritto meglio fare un rif.to, rimandandovi chi volesse
approfondire].
1.2.8 L Inf orm azi one ne lle WSN
La comunicazione in una Sensor network è principalmente dedicata al trasferimento
di informazioni, rendendo una senso network altamente ‘data-centric”. Gli innumerevoli
sensori di cui è composta una generica WSN producono un gran quantità di informazioni
grezzi che sono trasmessi ad un dispositivo centrale e memorizzati in database. Qualsiasi
sia il campo di applicazione di una WSN i suoi dispositivi rilevano informazioni ed
insieme producono uno stream di informazioni instradato attraverso il network della SN
attraverso primitive di rete, sino ad essere stoccato in database centrali per poter essere
utilizzato dal processo decisionale. [71][82]
Un importante fattore delle operazioni di data processing è il “sensor data fusion” ed
il “sensor decision fusion”, dove di dati grezzi provenienti da differenti nodi sono fusi,
filtrati ed aggregate per supportare l’operazione di decision making. Per tali motivi la
ricerca in merito alla comunicazione delle SN si trova a fronteggiare problemi sulle
tecniche di pulizia dei dati, il trattamento dei dati rumorosi, e la gestione dei dati
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
- 37 -
incompleti a causa di valori mancanti, ad esempio, più in generale possiamo parlare di
QoI (Quality of Information) [82]
Information Classification [82]
Real-Time Information [C1-R]: Is the information which is created just after
(during) the occurrence of event. It is required that this information reach the
sink/user with a best effort latency.
Historic Information [C1-H]: Refers to the information that is of interest after
their occurrence/creation. It is usually stored at the sink. Examples of
applications that require such information are forensics, statistics etc.
Query Result Information [C2-Q]: This information is the result of a user query
to the deployed network. Example is the average temperature in a certain
region of the network.
Event Information [C2-E]: Is a set of attributes of an event of interest that
occurred in the sensor field.
Costruzione dell’informazione [82]
Abbiamo parlato in precedenza che le informazioni grezze dei sensori sono poi fuse o
aggregate prima di giungere al blocco del sistema atto al “decision making”, siamo
dunque interessati anche alla costruzione di tali informazioni. Pertanto, possiamo
ulteriormente classificare l’informazione nelle WSN dal punto di vista della costruzione:
Informazioni Costruito In-Rete [C3-N]: le informazioni si crea all'interno della
rete.
Informazioni Costruito nel ‘Sink’ [C3-S]: le informazioni create nel nodo Sink
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
- 38 -
Figura 17 tipologia di informazioni nelle WSN
Parametri della qualità dell’informazione nelle WSN
Abbiamo trattato la tipologia e la costruzione dell’informazione di una SN, ed abbiamo
accennato all’importanza della qualità dei dati per poter essere correttamente utilizzati per
il decision makin. Dunque possiamo analizzare l’informazione che fluisce in una SN
anche secondo i parametri di qualità.
Secondo [82] è possibile analizzare la QoI dell’informazione secondo alcuni
parametri estratti specificatamente per le WSN e sono: Accuratezza, Precisione,
Completezza, Tempestività, Throughput, Affidabilità, Usabilità, Certezza (incertezza). In
oltre aggiunge alcuni parametri di qualità meno citate in letteratura ma altrettanto
importanti quali Modificabilità, Accessibilità Riusabilità. [82]
Più in generale sempre secondo [82] definisce "La qualità delle informazioni (QoI)”
come la qualità sperimentata/percepita dall'utente finale nella ricezione delle
informazioni, tenendo conto delle esigenze degli utenti in continua evoluzione, eventuali
sovraccarichi acquisizione delle informazioni e perturbazioni delle dati durante
l’acquisizione".
Questa definizione comprende le varie caratteristiche di qualità / attributi,
rappresenta il costo di acquisire le informazioni, e considera i fattori di perturbazione
della qualità ottenibile e desiderabile
Sensor Data Stream
Le SN, come accennato, possiedono stringenti requisiti realizzativi quali relativi al
consumo energetico (tra i più stringenti), ampiezza di banda per le comunicazioni,
limitate capacità di storage e di processing. Tali requisiti si interpongono al principale
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
- 39 -
scopo di una SN, ovvero dell’acquisizione, trasferimento e stoccaggio delle informazioni
di eventi e fenomeni naturali al fine di poter essere utilizzate dall’utente finale o un
sistema. Acquisizione che possiede una frequenza di campionamento tipica del fenomeno
che analizza che può essere anche di alcune volte al secondo.
Questo rende lo stream delle informazioni di una SN un tema estremamente caldo,
tanto che secondo [ Potti ] [82] il costo energetico per la comunicazione in un SN risulta
essere maggiore del costo per il processamento, per tale motivo la ricerca si è
maggiormente concentrata sulla ricerca di metodi di trasferimento energeticamente
efficienti per le SN.
Questo produce un effetto a catena che si ripercuote sino ai nodi centrali i quali i
quali hanno si trovano a trattare dati che possono essere imprecisi, non completi o
addirittura errati. Ed il costo di tali perturbazioni risulta essere estremamente elevato a
causa degli elevati costi di processamento dei dati.
Il sistema WSN deve essere energeticamente efficiente, scalabile in dimensione e
auto organizzante ed allo stesso tempo gestire uno stream di informazioni potenzialmente
vasto che deve sottostare a rigidi requisiti HW. Il tutto deve essere accuratamente attuato
per mantenere un QoI adeguato per effettuare un decision making finale.
Ci sono tre modalità canoniche di archiviazione e recupero dei dati in una SN:
[87][90]
LS Local Storage: ogni nodo mantiene i dati rilevati a livello locale
ES External Storage: nodi inviano i dati alla base stazione o il gateway senza
trasformazione preliminare, autonomamente oppure quando richiesto;
DCS Data Centric Storage: un evento viene rilevato i dati vengono
memorizzati in base al nome (ad esempio, in un nodo di archiviazione che non
deve necessariamente essere lo stesso del nodo di rilevazione) all'interno del
SN
1.3 Piattaforme per le Senso Network
In commercio si possono trovare diverse piattaforme di sviluppo sia specifiche per
l’implementazione di una SN che generiche, che garantiscono l’interoperabilità a più alto
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
- 40 -
livello. Attenzione particolare è verso il consumo energetico, e spesso il maggiore
responsabile del consumo energetico di una SN è il microcontrollore (MCU = Micro-
Controller Unit)
1.3.1 Microcontrollori
Gli MCU sono dei microprocessori con un set di istruzioni ridotto. Mentre un
Microprocessore è limitato alla sola CPU, un microcontrollore di solito è un sistema
incluso in un unico package che comprende CPU, memoria (RAM, ROM/Flash),
periferiche digitali (registri I/O, timer, etc.) e analogiche (ADC, comparatori, etc.),
oscillatori per generare il clock, etc.
Il crescente interesse nella realizzazione di dispositivi dai requisitivi HW quali il
costo, consumi e prestazioni ha spinto la ricerca ed il mercato a produrre un numero
crescente di Microcontrollori con un’elevata ottimizzazione verso tali requisiti, oltre
all'affermarsi dei linguaggi ad alto livello, come il C e il C++, con il quale programmare
tali dispositivi. Tra le architetture più recenti a supportare tale domanda troviamo l’ARM
e AVR.
Nelle famiglie di microcontrollori a 8 bit le piccole dimensioni di queste MCU e
l’alta integrazione di funzionalità on-chip risultano interessanti per lo sviluppo di
applicazioni sensibili ai costi.
In altre applicazioni, comunque sensibili ai costi e ai consumi, ma che richiedono
prestazioni più elevate le architetture a 16 bit risultano essere molto popolari, mantenendo
caratteristiche di consumo e di costo compatibili con quelle offerte dalle architetture a 8
bit.
Infine le MCU a 32 bit, utilizzate spesso come dei microprocessori, rappresentano
una soluzione necessaria ove le prestazioni richieste del sistema embedded sono
particolarmente elevate.
Si caratterizzano oltre che per le prestazioni dalla disponibilità elevata di memoria e
di periferiche avanzate come l’audio e sensori e interfacce per la grafica o la memoria
esterna.
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
- 41 -
1.3.2 Piattaforme In Commercio
Il vastissimo ventaglio di applicazioni delle WSN ha prodotto prodotti commerciali molto
diversificati. Le piattaforme possono essere classificate per:
Campo di applicazione: “general purpose” o “special purpose”;
Target di utilizzatori finali: prodotti pronti all’uso oppure prodotti orientati alla
prototipazione. In quest’ultima categoria vi sono le “boards”, caratterizzate da
microcontrollori generici con ingressi/uscite digitali e analogici. Sono in grado
di interfacciarsi ad un numero estremamente variegato di componenti
elettronici tanto da fornire ottime basi per qualsiasi utilizzo.
1.3.3 Piattaforme per SN general-purpose a scopo di ricerca
e sviluppo
Essendo Piattaforme generiche a scopo di sviluppo la loro estendibilità non è messa in
dubbio seppure eventuali differenze potrebbe rappresentare una caratteristica
fondamentale in talune scelte. Ci si aspetta comunque una modularità ed compatibilità
con sensori molto elevate.
Quello che fa la differenza in questa categoria sono
Architettura del processore: spesso vincola l’ambiente di sviluppo, linguaggio
di programmazione, Sistema operative e ovviamente “range di prestazioni” in
termini di clock
Protocollo di comunicazione: alcune hanno comunicazione wireless integrate
altre attraverso moduli, ma ognuna è sufficientemente modulare da poterne
utilizzare a piacimento. Ma ci son spesso alcune preferenze in termini di
realizzazione che rendono la scelta di una determina piattaforma più adatta in
talune configurazioni.
Sistema Operativo: solo le più evolute ne dispongo di uno, le più semplici
accolgono solo istruzioni a basso livello precompilate da apposite compilatori.
Consumo energetico: è un fattore critico nella scelta della piattaforma,
fortemente legato all’architettura del processore.
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
- 42 -
Dimensioni: anch’esso un fattore critico perché in casi come BSN (body SN)
si necessità di board estremamente piccolo, ovviamente è condizionata e a sua
volta condiziona tutte le precedenti caratteristiche.
È stato detto più volte che le categorie dei nodi di una SN sono essenzialmente di
due tipi: nodi gateway e sensor node. E spesso sono realizzati con medesimi dispositivi
ma con configurazioni differenti. Ad ogni modo di seguito elencherò l’offerta dividendole
nelle due categorie al solo scopo indicative attraverso le loro caratteristiche peculiari.
1.3.4 Mica Family
Nella sua prima versione chiamata solo “MICA”, una delle prime board ad esser
sviluppate alla fine degli anni ’90 appositamente per lo sviluppo di Sensor network, viene
ora commercializzato dalla Crossbow Technology Inc e sulla base della sua architettura si
sono sviluppate la maggiori famiglie di “mote” al momento presenti.
Tra le versioni successive troviamo alcune evoluzioni della famiglia MICA, quali
sono MICA2, MICA2DOT e MICA-Z.
Non montano sensori integrati nella piattaforma hardware di base e sono impiegabili
per il rilevamento di diverse informazioni ambientali. Ciò che differenzia le varie
versione dei mote è il componente radio. [39][50][51]
1.3.5 Telos Family
Sono una famiglia di mote tra loro architetturalmente molto simili, sviluppati
anch’essi presso l'Università della California, Berkeley e prodotti dalla Moteiv
Corporation e rappresentano la naturale evoluzione della prodotti della famiglia Mica, da
cui derivano. Dalla famiglia Telos comprende i modelli Telos, TelosB e TmoteSKY.
Una delle principali differenza è l'adozione di un microcontrollore della Texas
Instruments, che presenta un'architettura a 16 bit, dotato di 10kB di memoria RAM, 48kB
di memoria flash oltre che di un convertitore ADC a12-bit e di un controllore DMA
(Direct Memory Access).
Il ricevitore è lo stesso utilizzato dai MicaZ, pertanto conformi alle specifiche dello
standard IEEE 802.15.4. Il nodo è dotato un'antenna a 2.4GHz integrata sullo stampato
che permette di trasmettere fino a 125m.
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
- 43 -
Inoltre è importante far notare che ogni nodo è inoltre dotato di 1Mbyte di memoria
flash esterna e di alcuni sensori (umidità, temperatura ed intensità luminosa) integrati.
Infine ciascun nodo è identificato tramite un indirizzo IEEE 802.15.4 a 64 bit
univoco ed è dotato di un convertitore seriale-USB per facilitarne la programmazione ed
il debug. [50]
1.3.6 BTnode
BTnodes creati dall'ETH di Zurigo utilzizano un processore Atmel Atmega128L, 64+180
K RAM e 128 K di flash. Per la radio utilizzano una combinazione di Bluetooth e un
Chipcon che opera nella banda ISM 433-915 MHz.
L’ultima versione disponibile è la BTNode Rev3 e non presenta alcun sensore
integrat. Ma la scheda supporta l’inserimento di sensori di luminosità, temperatura,
accelerazione e suono costruiti da TAOS (Texas Advanced Optoelectronic Solutions).
[50] [18]
1.3.7 EYES
Dispositivo prodotto da Infineon in un progetto sponsorizzato direttamente
dall’Unione Europea di nome Energy Efficient Sensor Networks. [39]
Questi dispositivi dalle dimensioni particolarmente ridotte sono equipaggiati con
microcontrollore Texas Instruments ed un chip radio della Infineon che opera nella banda
degli 868 MHz e offre una velocità massima di trasmissione di 64 Kbit/s. Inoltre possiede
alcuni sensori integrati (di luminosità e di temperatura). [50]
L’hardware è stato progettato e costruito per offrire una alta efficienza energetica, i
consumi sono ridotti ma a discapito di una velocità di trasmissione più bassa, limitata dal
firmware a circa 20Kbit/s. [50]
1.3.8 Scatterweb
Nodi per Sensor Network prodotti dalla Freie Universitat Berlin che costituiscono
una una famiglia di dispositivi dalle caratteristiche tecniche molto varie. Infatti alcuni
implementano in modo nativo un web server mentre altri possono offrire svariate
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
- 44 -
modalità di comunicazione, tra cui Bluetooth, radio a bassa potenza, CAN, etc.
[18][39]
1.3.9 FireFly
Nodi per realizzare Sensor Network basati su processore Atmega 128, con 8 KB di
memoria RAM, 128 KB di memoria ROM e modulo radio compatibile 802.15.4 prodotto
dalla Cipcon.
Una delle caratteristiche più interessante di questi dispositivi risiede nella
disponibilità di un porta SDIO (Secure Digital Input Output), che permette l’utilizzo di
memorie esterne di tipo Flash ed un orologio hardware per una sincronizzazione accurata.
[18][39]
1.3.10 Squidbee
I nodi Squidbee realizzati dalla Libelim spinoff dell’Università di Saragoza equipaggiati
con su un processore Atmega168 e il modulo radio è l’XBee prodotto dalla DiGi.
Il nodo Squibee è formato da una scheda madre (su base Arduino) e da un circuito
di interfacciamento tra il modulo radio XBee, progettati dalla Libelium.
Non dispone di sensori integrati ma offre la possibilità di installazione di alcuni
sensori esterni.
I nodi non usano alcun tipo di sistema operativo infatti il codice viene compilato e
caricato direttamente all’interno della EEPROM per essere caricato all’avvio direttamente
dal bootloader. [39] [52]
1.3.11 Arduino
Arduino è una scheda elettronica di piccole dimensioni con un microcontrollore e
circuiteria di contorno, utile per creare rapidamente prototipi e per scopi hobbistici e
didattici.
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
- 45 -
Figura 18 - Board Arduino UNO rev3
Il nome della scheda deriva da quello di un bar di Ivrea (che richiama a sua volta il
nome di Arduino d'Ivrea, Re d'Italia nel 1002) frequentato da alcuni dei fondatori del
progetto.
Con Arduino si possono realizzare in maniera relativamente rapida e semplice
piccoli dispositivi come controllori di luci, di velocità per motori, sensori di luce,
temperatura e umidità e molti altri progetti che utilizzano sensori, attuatori e
comunicazione con altri dispositivi. È fornito di un semplice ambiente di sviluppo
integrato per la programmazione. Tutto il software a corredo è libero, e gli schemi
circuitali sono distribuiti come hardware libero.
Arduino, oltre al vantaggio di essere molto economico rispetto alle altre soluzioni
mostrate, risulta essere compatibile con un numero di comunicazioni radio praticamente
infinito: risulta essere compatibili con BlueTooth, XBee e RF su banda ISM 433-915
MHz.
Arduino essendo Open-Source viene prodotto sia dalla casa madre, sia da una serie
di produttori alcuni molto validi data la loro specializzazione in particolari utilizzi. Quasi
tutti i modelli Arduino sono equipaggiati con processore ATmega che può variare di
modello in versione in versione. Tra le versioni più importanti di arduino troviamo
Di seguito alcune delle versioni più popolari di Arduino. [ARDUINO.CC]
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
- 46 -
Arduino MEGA: board Arduino basata su ATmega1280. Possiede ben 54
input/output digitali (di cui 14 possono essere utilizzati per output.
Arduino UNO: board Arduino basato su microcontrollore ATmega328. La scheda
è dotata di 14 input / output digitali (di cui 6 possono essere utilizzati per ouptut PWM) ,6
output analogici ed una connesione USB.
Arduino DUE: E la prima baord basata su un processore ARM a 32-bit. Dotata di
ben 54 input/output digitale di cui 12 possono essere utilizzati come PWM output. Inoltre
dotato di 12 input analogici, 4 UART (hardware serial port). Infine una connessione USB.
Arduino NANO: la board di casa Arduino più piccola, ma non meno completa.
Equipaggiata con ATmega328 (nella versione Arduino Nano 3.x) oppure
ATmega168 (nella Arduino Nano 2.x).
Dotata di 14 input/output digitali (di cui 6 utilizzabili per outpuy PWM), 8 input
analogici ed una connessione USB Mini-B.
Arduino Leonardo: è un board basata su un microcontrollore ATmega32u4.
È dotato di 20 input/output digitali di cui 7 possono essere usati per output PWM e
12 come input analogici, dotato di una connessione micro USB.
La scheda Leonardo è differente dalle altri infatti se collegata ad un computer essa
viene riconosciuta come “dispositivo seriale virtuale” alla stregua di un mouse o una
tastiera.
LilyPad: Tra le versioni alternative troviamo LilyPad Arduino con la particolarità
di essere estremamente piccolo e quindi utilizzato nei progetti cosiddetto “indossabili”
(wearables). LilyPad è progettata e distribuita da Leah Buechley e SparkFun Electronics.
1.3.12 Estensioni Arduino
Abbiamo accennato in precedenza che uno dei punti di forza di Arduino è l’essere
OpenSource e sviluppato ed esteso da un numero elevatissimo di produttori in tutto il
mondo. Questo rende Arduino una delle Board di sviluppo più utilizzate al mondo nonché
la prima ad avviare un vero e proprio processo di prototipazione a basso costo, forse più
comunemente conosciuto come il movimento “Makers”.
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
- 47 -
Detto questo caratteristica fondamentale che rendere arduino utilizzabile in un
numero di contesto praticamente infinito è la sua estrema modularità nella sua
“estensione” per mezzo di moduli che possono essere
Schede o stampati realizzati ad-hoc
O i cosiddetti “shield”: schede di supporto realizzate in serie, installabili in
maniera semplice e veloce e non richiedono alcuna competenza di elettronica.
o Alcune sono utilizzabili per specifici scopi quali la comunicazione
Radio, memorie esterne o motori elettrici;
o Altri sono veri e proprie “board” secondarie sulle quali possono essere
installai in maniera altrettanto semplice una vasta quantità di sensori e
moduli; realizzando così ecosistema di moduli componibili a
piacimento; Operazione che altrimenti in al alcuni casi necessiterebbe
di competenze avanza di elettronica;
Grove System
Nel panorama estremamente diversificato dei moduli per Arduino troviamo il Sistema
Groove che rappresenta un ottimo esempio di modularità ed effetti della cultura
OpenSource su cui fa leva Arduino.
Groove infatti permette di assemblare dispositivi elettronici con un approccio
modulare o a blocchi (building block approach) attraverso un set di strumenti modulari e
pronti all'uso che come un Lego possono essere composti per realizzare device di
qualunque tipo. [SEEEDSTUDIO]
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
- 48 -
Figura 19 - Una Grove Base Shield [SEEDSTUDIO]
Diversamente dalle board tradizionali la Groove permette semplifica in maniera
significativa l'approccio all'assemblaggio e prototipazione di dispositivi elettronici basati
su microcontrollori. [SEEEDSTUDIO]
Il sistema Groove si basa su una shield di base ed una serie di connettori standard
sui quali sono installabili una grande quantità di moduli groove dalle funzionalità diverse.
[SEEEDSTUDIO]
Sono disponibili una grande quantità di moduli Groove suddivisi nelle seguenti
categorie:
Monitoraggio Ambientale;
Sensori di Movimento;
Moduli per Interfacce Utente;
Monitoraggio Fisico;
Moduli logici;
Moduli per l’alimentazione.
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
- 49 -
1.3.13 RaspBerry
Il Raspberry Pi è un single-board computer (un calcolatore implementato su una
sola scheda elettronica) sviluppato nel Regno Unito dalla Raspberry Pi Foundation. Il suo
lancio al pubblico è avvenuto alla fine del mese di febbraio 2012[1]. Al momento della
scrittura di questo documento di tesi esistono quattro versioni (Modelli: A, B, A+, B+ )
con prezzi da 20 a 35 dollari statunitensi.
È un dispositivo economico, concepito per stimolare l'insegnamento di base
dell'informatica e della programmazione nelle scuole[1][4][5][6][7].
Il progetto ruota attorno a un System-on-a-chip (SoC) Broadcom BCM2835[2], che
incorpora un processore ARM1176JZF-S a 700 MHz, una GPU VideoCore IV, e 256 o
512 Megabyte di memoria. Per la memorizzazione ed il boot si affida esclusivamente ad
una scheda SD [8]. La scheda è stata progettata per ospitare sistemi operativi basati su un
kernel Linux o RISC OS[3][9].
1.4 Panorama S mar t
Negli anni si parla molto di Smart, termine che racchiude in se un grande e
variegato insieme di concetti. Alcuni dei quali forse troppo abusati.
È un termine anglosassone entrato ormai in uso comune tra i ‘neologismi’ anche
nella lingua italiana soprattutto come ‘aggettivo’ in innumerevoli situazioni.
Dall’inglese, smart’ ha diversi significati [http://www.garzantilinguistica.it]
(4) elegante; alla moda |the set, il bel mondo
(5) sveglio, intelligente, abile; furbo; brillante, spiritoso: a pupil, un allievo
sveglio; a talker, un oratore brillante; he thinks he’s really , crede di
essere molto furbo, in gamba | practice, furberia | apple, (fam. amer.)
persona in gamba | mouth, (fam. amer.) petulante | (mil.) bomb, bomba
intelligente | (inform.) card, smart card (scheda intelligente contenente un
circuito integrato o un chip in grado di memorizzare dei dati) | drug,
ricostituente per la memoria, smart drug
(6) forte; secco: a tap on a lid, un colpo secco su un coperchio
(7) rapido, veloce: a pace, un’andatura veloce
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
- 50 -
(8) (fam.) grande, considerevole
In italiano il termine “smart” è utilizzato come detto spesso come aggettivo, spesso
ad identificare “nuove” evoluzioni di qualcosa che esiste da tempo.
smart ‹smàat› agg., ingl. – Dei varî sign. che l’agg. ha in inglese («capace»,
«attivo», «brillante», «alla moda», ecc.), in ital. è soprattutto noto e talora usato quello
di «raffinato, elegante» (una ragazza, una compagnia, giovani smart), anche nella locuz.
smart-set (‹... sèt›), per indicare, spesso ironicamente, un ambiente o un gruppo di
persone molto raffinato ed elegante, la cosiddetta «alta società»: un ricevimento
riservato allo smart-set della Capitale. [..] [Vocabolario on line ‘www.treccani.it’]
Per il presente lavoro l’attenzione è focalizzata su un ristretto numero di definizioni
Smart, in particolare si affronta il panorama “smart” in ambito energetico e domestico.
A tal scopo incontreremo due tra i termini del panorama smart più promettenti:
Smart City e le Smart Grid. Ormai due concetti solidi e consolidati e non solo termini
alla moda.
Il primo più vicino ai problemi e soluzioni urbanistiche, il secondo invece più vicino
alle soluzioni tecnologiche ed in parte se vogliamo abilitanti per il primo. Fino ad arrivare
allo Smart Metering e genericamente gli End-Device Smart.
1.4.1 Smart City
Una Smart City è una Città intelligence e si riferisce alla sua gestione intelligente o alla
sua “autonomia” intelligente. Tale “intelligenza” è mirata a migliorare la vivibilità della
città e dei suoi servizi da parte del cittadino, in questo contesto l’utente finale. Attraverso
una migliore gestione di servizi, reti energetiche (grid) e reti di comunicazione, flusso di
mezzi e persone.
Che si dovrebbe tradurre in un migliore “decision making” ed una migliore gestione
economica.
Definizione Smart City [http://www.treccani.it]
smart city loc. s.le f. Città caratterizzata dall’integrazione tra saperi,
strutture e mezzi tecnologicamente avanzati, propri della società della
comunicazione e dell’informazione, finalizzati a una crescita sostenibile e al
miglioramento della qualità della vita.
Cosma tira fuori le venticinque pagine
di programma della lista per Genova […]: Genova città di porto, Genova polo di
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
- 51 -
servizi science based, Polo culturale e dell’entertainment, la smart city, un
osservatorio come controllo sulle public utilities, il welfare community. (Raffaele
Niri, Repubblica, 15 maggio 2007, Genova, p. 4) • Una funzione da smart city, di
città digitale ed intelligente, cioè, che non si accontenta di fare da contenitore
fisico, ma che cerca di presidiare gli spazi globali, stanando i nuovi protagonisti,
sostenendo creatività ed innovazione dentro le scuole come nelle imprese. (Renato
Mattioni, Corriere della sera, 10 ottobre 2011, Prima pagina) • Parlare di «smart
city» significa pensare alla città del futuro in maniera integrata: ambiente,
persone, tecnologie. In questo senso, la «smart city» si distingue dalla sorella più
strettamente tecnologica, la città digitale, espressione che sottolinea il ruolo delle
tecnologie informatiche. Tuttavia la città digitale è essenziale per la realizzazione
della «smart city». (Juan Carlos De Martin, Stampa, 9 marzo 2012, Speciale, p.
I).
Espressione ingl. composta dall’agg. smart (‘intelligente’) e dal s. city
(‘città’).
Dal punto di vista dell’utente finale il concetto smart di una città è trasparente,
ovvero potremmo vivere in una città smart e non accorgercene se non per una qualità
della vita migliore.
Questa intelligenza è ad uso e gestione del “management” di una città. L’utente
finale raramente può accedere a tale intelligenza. Vedi Open data: ancora troppo poco
utilizzati e “chiusi”.
1.4.2 Smart Grid
Per realizzare una Città intelligente, i suoi flussi di persone, merci, energia ed
informazioni devono essere smart.
Anche se il termine “smart grid” sia traducibile genericamente con griglia o rete
smart, in realtà indica una soluzione ben precisa e forse una delle più vecchie e
consolidate nella gestione urbanistica moderna. Indica una rete elettrica gestita in maniera
intelligente, nella quale si considerano contesti prima ignorati.
Definzione ‘smart grid’ [www.treccani.it]
smart grid <smàat ...> locuz. sost. ingl., usata in it. al femm. Sistema elettrico
(rete di trasmissione e di distribuzione, sistemi di generazione e utenze) in cui le relazioni
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
- 52 -
di connessione tra i nodi attivi sono integrate e coordinate in modo cosiddetto
intelligente, attraverso sistemi telematici automatizzati, per consentire una gestione
dell'energia elettrica che risponda ai criteri di efficienza, sostenibilità e sicurezza. Lo
sviluppo delle s. g. è reso opportuno dall'incremento della diffusione degli impianti di
produzione di energia elettrica alimentati da fonti rinnovabili (produzione caratterizzata
da non prevedibilità), che prefigura il passaggio da un sistema elettrico centralizzato e
monodirezionale, in cui il flusso di energia è diretto inequivocabilmente dai luoghi di
produzione a quelli di consumo, a un sistema elettrico distribuito e bidirezionale, in cui il
flusso di energia (e anche di informazioni) è determinato secondo logiche razionali di
ottimizzazione dell'equilibrio del sistema (un'utenza dotata di impianto di generazione da
fonti rinnovabili può per es. immettere energia elettrica in rete, consumare quella
prodotta sul posto, immagazzinarla in eventuali dispositivi di stoccaggio o assorbire
energia elettrica dalla rete). Una s. g. prevede funzionalità intelligenti in tutte le fasi del
sistema elettrico: generazione, smart generation (per es. attraverso sistemi per la
comunicazione bidirezionale automatizzata degli impianti di produzione, smart inverter;
sistemi per la gestione aggregata e disaggregata degli impianti, sistemi di ottimizzazione
degli asset; sistemi di stabilizzazione della produzione, sistemi di storage); trasmissione e
distribuzione, smart network (per es. la gestione automatizzata dei dati sullo stato della
rete con sistemi di controllo automazione e sensoristica; l'ottimizzazione dei carichi di
rete con sistemi DRMS, Demand response management system); consumo, smart
metering and active demand (per es. la gestione automatizzata dei profili di consumo e la
comunicazione bidirezionale attraverso dispositivi quali l'AMI, Advanced metering
infrastructure; il controllo automatizzato dei consumi con sistemi HMS, Home
management system; l'interazione stabilizzata degli impianti di produzione da fonti
rinnovabili, localizzati in un nodo utente, attraverso sistemi di accumulo). A livello
europeo, gli indirizzi per lo sviluppo delle s. g. è fornito dalle linee guida dell'ACER
(Agency for the cooperation and energy regulatiors, già ERGEG, European regulators'
group for electricity and gas), per es. nel Position paper on smart grid (2010).
Lessico del XXI Secolo
Nello specifico il termine Smart Grid indica una rete intelligente, che coinvolge
attivamente sia i consumatori che i produttori, al fine di realizzare un sistema di
distribuzione dell'energia che presenti le seguenti caratteristiche [95][96]:
Efficienza;
Sostenibilità;
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
- 53 -
Economicità;
Sicurezza
Come riportato da [96]:
Le Smart Grid rappresentano un'evoluzione della rete elettrica nella quale si
considerino tre punti di vista: il consumatore, il produttore e l'ambiente. Per ciò
che riguarda i clienti, le Smart Grid consentono ad esempio di ottimizzare il
consumo di energia. Un'altra 'importante funzionalità introdotta dalle Smart Grid
consiste nel permettere agli utenti di immettere nella linea l'energia prodotta da
fonti rinnovabili come gli impianti fotovoltaici o i veicoli V2G [98].
Nell'ambito ambientale, mediante l'integrazione delle energie rinnovabili, le
Smart Grid permettono la riduzione delle emissioni di CO2, dando un forte
impulso allo sviluppo e alla diffusione dei veicoli elettrici.
Un altro cambiamento riguarda il passaggio da una struttura centralizzata
con flusso di potenza unidirezionale ad una ibrida, nella quale coesistono sistemi
centralizzati e distribuiti con un flusso di potenza bidirezionale.
Lo scopo principale delle Smart Grid consiste nel raggiungere uno sviluppo
sostenibile della produzione energetica servendosi di una rete di trasmissione più
efficiente che sfrutti le energie rinnovabili e la generazione distribuita.
L’ICT costituisce dal punto di vista tecnico un pilastro fondamentale per la
realizzazione delle reti intelligenti. Un importante contributo viene fornito dalle
telecomunicazioni soprattutto per ciò che riguarda il metering, ovvero il
monitoraggio della rete, realizzato mediante tecniche di comunicazione che
sfruttano la rete di alimentazione elettrica per lo scambio di informazioni. Al fine
di garantire e migliorare la sicurezza e l'affidabilità del servizio, si impiegano
sistemi di tipo Wide Area Monitoring (WAM) e Wide Area Protection (WAP) per
la risoluzione di problemi di congestione. Altro obiettivo delle telecomunicazioni
è quello di rendere la rete elettrica un sistema che intraprenda azioni in tempo
reale e che gestisca il controllo distribuito.
Una Smart Grid può dunque essere vista come un insieme di nodi variabili
che interagiscono tra loro attraverso i sistemi di metering, in un contesto nel
quale un nodo può essere sia consumatore che sorgente di energia.
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
- 54 -
1.4.3 Smart Metering
Quando si parla di Smart Metering, si parla di contatori di energia intelligenti, che fanno
parte di una rete di distribuzione più grande.
Figura 20 Diffusione degli Smart Meters nel 2012
Anche in questo caso il termine Smart si riferisce alla sua intelligenza di
monitoraggio della rete, mediante l'impiego di sensori, in grado di ottenere informazioni
sullo stato del servizio, sull'energia consumata e sui relativi costi.
Lo Smart Metering rappresenta un elemento decisivo per la trasformazione della
rete elettrica in Smart Grid. [96]
Per esempio i contatori Enel rappresentano un ottimo esempio di Smart Meter oggi
in circolazione, essi raccolgono informazioni in tempo reale sui consumi elettrici e
consentono diverse opportunità di risparmio energetico, sia da parte dei singoli clienti, sia
per la maggiore efficienza di rete, sia per la migliore operatività dei distributori di
energia.
Inoltre essi costituiscono il primo, basilare passo verso la realizzazione delle Smart
Grids, le reti elettriche intelligenti cui è affidato il compito di migliroare non solo la
distribuzione e gestione dell'energia elettrica, ma anche il sistema di generazione,
permettendo la connessione in rete di un gran numero di piccoli e piccolissimi impianti a
fonti rinnovabili distribuiti nel territorio. [ENEL]
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
- 55 -
Risulta dunque uno strumento che, sfruttando le tecnologie informatiche e di
comunicazione, consente di regolare non solo il flusso energetico ma anche quello
informativo, ricoprendo un ruolo determinante per quanto riguarda il controllo distribuito.
Secondo quanto riportato da [96]
Lo Smart Metering prevede l'impiego di due importanti tipi di dispositivi:
Smart Meter: contatore \intelligente" che ubicato in corrispondenza di
un'utenza, ad esempio una casa, consente al cliente il rilevamento dei
parametri relativi all'energia consumata ed eventualmente prodotta, oltre che a
permettere la gestione della tariffa più conveniente.
Smart Concentrator: installato nelle cabine di trasformazione da media a bassa
tensione ed effettua la gestione dei contatori ad esso connessi. Tale dispositivo
periodicamente rileva i dati dagli Smart Meter, li salva e li invia al sistema
centrale, dal quale a sua volta riceve i comandi da comunicare ai contatori.
1.4.4 MicroGrid
Inserite nel contesto delle Smart Grid e della Generazione Distribuita, vi sono le
Microgrid: ovvero reti a bassa tensione costituite ad esempio le sorgenti di energia
rinnovabile, da impianti di stoccaggio dell'energia e carichi controllabili [96].
Come principale caratteristica presentano la possibilità, in determinate situazioni, di
isolarsi dalla rete generale alla quale sono connesse e con la quale interagiscono. Secondo
quanto riportato da [96] in [commercialsolardesign] e [energyprofessionalnetwork], le
Microgrid rivestono una notevole importanza nella risoluzione di alcune problematiche
che affliggono la rete di alimentazione.
1.4.5 AMI (Advanced Metering Infrastructure)
Se Smart grid è riferito generalmente alle reti di distribuzione elettrica, con AMI o
Advanced Metering Infrastructure si riferisce in genere al infrastruttura di misurazione e
raccolta dati relativamente alla fornitura di servizi quali acqua, gas o elettricità.
Come mostrato in Figura 21 un Infrastruttura AMI include:
Contatori intelligenti presso il cliente;
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
- 56 -
Reti di comunicazione tra i sistemi tra clienti e fornitore di servizi come Gas,
elettricità o Acqua;
Sistema di ricezione e gestione dei Dati da lato “fornitura del servizio”
Contatori possono essere in grado di rilevare 3 tipologie di fornitura: Elettricità,
Gas, Acqua. Questi contatori hanno la capacità di trasmettere i dati raccolti attraverso le
reti fisse comunemente disponibili quali il Broadband over Power Line (BPL), Power
Line Communications (PLC), radiofrequenza (RF) e reti di comunicazione pubbliche (ad
esempio, rete fissa, mobile) [98].
L'infrastruttura AMI dunque consiste in un sistema di comunicazione bidirezionale
che può essere descritto dallo schema dove i dati del contatore sono ricevuti dal sistema
host AMI e inviati al sistema di Meter Data Management (MDM) che gestisce la
conservazione e l'analisi dei dati per fornire le informazioni in forma utile per essere
trattati [96] [98].
Figura 21 - Struttura tipica di un AMI [98]
1.4.6 Automation Building e BMS (Building Management
System)
Con “automazione degli edifici” (building automation) si intende un insieme di
tecnologie e sistemi di gestione degli edifici per il controllo automatico delle strutture e
delle varie funzioni, oggi molto importanti al fine dell’abbattimento dei costi sia di
gestione che al fine di contenere bassi sprechi energetici [103].
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
- 57 -
I Building Automation System (BAS) sono esempio di sistemi di controllo
computerizzato installato negli edifici in grado di controllare e monitorare impianti
meccanici ed elettrici dell'edificio, come la ventilazione, illuminazione, sistemi di
alimentazione, il fuoco sistemi e sistemi di sicurezza.
Essi da tempo costituiscono parte integrante nella progettazione di edifici ad alta
intensità di impiego energetico. L’avanguardia della building automation consiste
nell’automazione degli edifici residenziali, home automation, o nel termine italiano
“domotica” [103].
Definizioni più estese propongono la domotica come “processo o sistema che
provvede a migliorare lo stile di vita delle persone, rendendo la casa più confortevole,
sicura ed efficiente”. [Dizionario della Lingua Italiana di Tullio De Mauro (Paravia,
2000).]
Discutendo di BSM e Automation Building viene naturale accennare alla casa
intelligente (Smart Home). La casa intelligente dal punto di vista della domotica è
realizzata con attraverso l’implementazione di un sistema integrato di automazione
domestica [103].
Un sistema domotico efficiente, nello svolgere la funzione generale di interagire con
gli utenti in modo da migliorare la qualità della loro vita domestica, deve rispettare alcuni
requisiti fondamentali, che ne qualificano l’efficacia [103]:
la semplicità e la facilità di uso;
l’affidabilità, la rispondenza e la conservazione nel tempo delle prestazioni;
l’apertura, la compatibilità con le interfacce di gestione e con nuovi dispositivi
integrativi;
l’integrazione, la compatibilità con diversi tipi di impianto e tecnologie
eterogenee;
la flessibilità, la versatilità e l’adattabilità alle richieste dell’utente;
l’espandibilità, l’adeguamento del sistema a nuove esigenze applicative e a
nuove tipologie abitative;
la continuità di funzionamento, la garanzia che tutte le applicazioni del sistema
funzionino nelle diverse condizioni di esercizio, tramite la capacità di
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
- 58 -
autodiagnosi e di teleintervento delle unità centrali di controllo ed
elaborazione.
1.5 Approccio allefficienza ener getica
Da quanto detto da [66] vengono individuati 4 approcci utili per riduzione del consumo di
energia elettrica, vale a dire: consapevolezza del consumo energetico, riduzione del
consumo in standby; pianificazione delle attività controllo adattativo.
Efficienza energetica e BMS
Gli approcci all’efficienza energetica devono essere attuati attraverso un BMS in grado di
fornire il supporto adeguato ad un utilizzo intelligente degli apparecchi elettrici allo scopo
di ridurre i consumi energetici [66].
“To be effective, […] need to be implemented in an automated BMS capable of
enforcing an intelligent utilizzation of electrical appliance”
Quanto detto da [66] sono identificabili alcuni requisiti fondamentali che un BMS
volto al risparmio energetico deve possedere:
sensing delle condizioni ambientali (ad esempio, temperatura, intensità della
luce);
verifiche del consumo di energia;
modifiche delle condizioni ambientali;
interazione con l’utente al fine di inviare notifiche e ricevere comandi;
identificazione del contesto (ad esempio, la presenza dell'utente, azioni
eseguite dall'utente);
anticipazione del contesto;
apprendimento delle abitudini degli utenti e le loro preferenze;
apprendimento il consumo di energia degli apparecchi;
apprendere gli effetti degli attuatori in sull’ambiente;
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
- 59 -
Pianificazione di una sequenza ottimale di azioni volte al risparmio energetico
ed allo stesso tempo rispettando le esigenze degli utenti, in base agli obiettivi
del sistema.
Inoltre, è altamente desiderabile che i seguenti requisiti non funzionali siano
soddisfatte:
o bassa intrusività dell'interazione con l'utente;
o bassa invadenza di dispositivi fisici e delle infrastrutture;
o scalabilità rispetto al numero di dispositivi, aree e occupanti;
o estendibilità dopo l'aggiunta di nuovi dispositivi, grazie ad astrazioni
appropriate;
o semplicità di distribuzione;
o modularità Software;
o interoperabilità sia rispetto ai dispositivi fisici e rispetto ad altri sistemi
software.
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
- 60 -
1.6 I Dati
1.6.1 Bussiness Intelligence & Analitycs
"Business Intelligence e Analytics è spesso definito come le tecniche, tecnologie,
sistemi, pratiche, metodologie e applicazioni che analizzano i dati aziendali critici per
aiutare un'impresa a comprendere meglio la propria attività e di mercato e prendere
decisioni di business tempestive."
Il termine Business Intelligence (BI) è stato introdotto nella IBM Journal nel 1958
indicato come un Sistema in possesso “della capacità di cogliere le interrelazioni dei fatti,
presentati in modo da guidare l'azione dell’utente verso un obiettivo desiderato» (Luhn
1958 ; p314)
Con lo sviluppo di sistemi di supporto alle decisioni (DSS) a partire nel 1960 e lo
sviluppo di computer nel 1980 il termine Business Intelligence si è trasformato in termine
generico per descrivere i sistemi per il sostegno e il miglioramento del processo
decisionale di business (Power 2007; Khan & Quadri, 2012).
Un generico Sistema di BI&A (Business Intelligence & Analitycs) è generalmente
suddiviso in tre componenti: data capture / acquisition, Data Storage, Data access &
analitycs. (Baars & Kemper, 2008; Khan e Quadri, 2012).
Figura 22 Componenti di un sistema di Business Intelligence
Evoluzione dei Dati
Nell'ultimo decennio la quantità, la velocità e la struttura dei dati è cambiato
enormemente tanto da stravolgere l’approccio al loro trattamento. La prima generazione
di applicazioni BI&A si sono concentrate su dati strutturati prevalentemente raccolti da
imprese attraverso sistemi legacy e archiviati in database relazionali (RDBMS) (H. Chen
et al., 2012). Dove le tecniche di analisi utilizzate si concentravano su metodi statistici e
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
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tecniche di data mining sviluppate negli anni '70 e '80 (H. Chen et al., 2012). Con lo
sviluppo di internet si ha la seconda generazione di BI&A la quale deve comprendere
l'analisi di contenuti non strutturati provenienti dal web. Infine si ha la terza generazione
di BI&A, che sta emergendo a seguito di smartphone, tablet e sistemi di sensori
distribuiti. (H. Chen et al., 2012)
Se da una parta la necessità di effettuare decision making sui dati permane,
dall’altra l’evoluzione della natura e tasso di produzione dei dati cambia radicalmente
spingendo la ricerca ad una radicale evoluzione degli approcci al trattamento dei dati.
1.6.2 Big data
Il termine Big Data è prevalentemente associato a due concetti: Memorizzazione
(Storage) e Analisi dei Dati (Analisys). Pur essendo concetti tutt’altro che nuovi con “big
data” ci si riferisce a modalità differenti di trattamento dei dati rispetto ai “dati
convenzionali”.
Tra le definizioni più citate è inclusa nel report di Gartner che non fa menzione della
frase "Big Data" precedendo il trend attuale. Tuttavia il report è utilizzato come
definizione chiave.
Gartner ha proposto la definizione delle “tre V ": Volume, Velocità, Varietà. Una
definzione che osserva la crescente dimensione di dati, l’aumento della velocità con cui
vengono prodotti e la crescente gamma di formati e rappresentazioni impiegati. Questa
definizione è stata successivamente ripresa dal NIST
[http://bigdatawg.nist.gov/home.php] e da Gartner nel 2012 [69][Gartner 2012] ed
integrata da [73] IBM e altri includendo una quarta V: “Veracità” (Veraciy). Termine
inglese che si traduce con “veracità” che comprende i concetti di affidabilità, veridicità,
attendibilità, autenticità. Facendo leva su questioni di fiducia e di incertezza dei dati e
risultati delle analisi di tali dati. In questa visione dei Big Dati non c’è una
quantificazione numerica dei Big Data.
Intel è una delle poche a fornire cifre sui Big Data collegando gli stessi con le
organizzazioni secondo cui "generano una media di 300 Tera-Byte (TB) di dati a
settimana". [69][72]. In particolare quantifica i Big data attraverso le esperienze raccolte
dei suoi partner commerciali. Suggerendo che le organizzazioni intervistate trattano per
gran parte dati non strutturati, ponendo particolare attenzione sull’analisi di una mole di
dati di circa 500TB a settimana. In particolare secondo Intel il tipo di dati più comuni
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
- 62 -
coinvolti nel fenomeno Big Data sono transazioni commerciali memorizzati nei database
relazionali (in linea con la definizione di Oracle), seguiti da documenti, e-mail, i dati di
sensori, blog e social media.
Microsoft fornisce una definizione: "Big dati è il termine sempre più usato per
descrivere il processo di applicazione massiva della potenza di calcolo (es. machine
learning e intelligenza artificiale) a set di informazioni particolarmente enormi e spesso
molto complessi" [69] affermando senza mezzi termini che i Big data richiedono
l'applicazione di una notevole potenza di calcolo. Introducendo due tecnologie:
apprendimento automatico e di intelligenza. [69][74]
Questo è un argomento Il progetto MIKE (spesso citato nella comunità open
source), introduce un'idea potenzialmente contraddittoria: "Big Data può essere molto
piccolo e non tutte le grandi serie di dati sono grandi" sostenendo che a rendere “Big” i
sono l’alto grado di permutazioni e interazioni all'interno dei set di dati spostando la
definizione a favore di complessità. [69]
La crescente complessità rende i Big data difficilmente trattabili con strumenti
tradizionali è una definizione comune, Questa idea è supportata la definizione NIST in cui
si afferma che i big data sono set di informazioni che superano le capacità tradizionali di
trattamento dei dati sfidando paradigmi e pratiche attuali. [69]
Nonostante la gamma e differenze esistenti all'interno di ciascuna delle definizioni
di cui sopra ci sono alcuni concetti in cui convergono. In particolare tutte le definizione
fanno riferimento ai seguenti punti:
Dimensioni: il volume dei set di dati è un fattore critico
Complessità: la struttura, il comportamento e permutazioni di dataset è un
fattore critico.
Technologies: gli strumenti e le tecniche che sono utilizzati per elaborare un
insieme di dati considerevole o complessa è un fattore critico
Una rielaborazione delle caratteristiche poco sopra citate può essere espressa in: Big
Data è un termine che descrive la memorizzazione, il trattamento e l'analisi di vasti e
complessi insiemi di dati che non sono trattabili attraverso i metodi convenzionali (es.
Data mining su Datbase Relazionali). Dove per “big” data sta per informazioni di natura
eterogena, non strutturati, con relazioni e significati complessi. [69]
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
- 63 -
Figura 23 - Argomenti di ricerca per i Big Data [81]
Dunque quando ci riferiamo Big Data facciamo riferimento a sfide insite nei
processi data-centric: Data Capture, Storage, Searching, Sharing, Analysis, Visualizzation
dove l’evoluzione dell’ICT e la natura dei dati impone un trattamento differente
dell’informazione al fine di supportare il processo di scoperta della conoscenza
caratterizzata dai passi [91]:
Data Recording
Data Cleaning / Integration / Representation
Data Analysis
Data Visualization / Interpretation
Decision Making
Alcune definizione tratte da [81]
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
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Tabella 5
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
- 65 -
1.6.3 WSN Big Data
Uno dei contributi fondamentali nei Big Dati proviene dalle WSN distribuite.
Sebbene i dati generati da un singolo sensore potrebbero non essere significativamente
validi, i dati complessivi generati attraverso numerosi sensori di una WSN producono una
significativa porzione di Big Data. [80]
Figura 24 Maggiori contributi nel fenomeno BigData [80]
1.7 Distribuited Computing
1.7.1 Cloud
Lo sviluppo delle tecnologie di virtualizzazione hanno reso il supercomputing più
accessibile e conveniente. Potenti infrastrutture di calcolo rese accessibili da software di
virtualizzazione rendono tali sistemi utilizzabili come un singolo sistema fisico, ma
estremamente in termini di caratteristiche HW quali il numero di processori, memoria,
storage e il sistema operativo. [91]
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
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Il termine indica una “nuvola” come astrazione del complesso di infrastrutture che
rendono accessibile potenza di calcolo e spazio di storage senza conoscere i dettagli
dell’infrastruttura.
L’utilizzo di computer virtuali è noto come cloud computing, mentre l’utilizzo
specifico di storage è noto come Cloud Storage, entrambe tecniche molto importanti per i
Big Data grazie alla loro flessibilità e performance virtualmente infinite. [91]
Figura 25 - Cloud Storage [91]
Figura 26 Cloud Computing [91]
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
- 67 -
1.7.2 SPI Model (As-A-Service)
SPI è un acronimo per i modelli di servizio più comuni di cloud computing
(Software as a Service, Platform as a Service e Infrastructure as a Service).
Infrastructure as a Service (IaaS): fornisce spesso le basi per il ‘cloud’ di molti
servizi e consente di assegnare o utilizzare “a tempo” le risorse del utilizzate
per eseguire le operazioni, tra cui l’archiviazione, l'hardware, server e
componenti di rete. [92]
Platform as a Service (PaaS) è un paradigma per la consegna di sistemi
operativi e servizi connessi tramite Internet, senza download o installazione.
Fornendo strumenti e librerie per costruire, testare, distribuire ed eseguire le
applicazioni su infrastrutture cloud.
Software as a Service (SaaS) è un modello di distribuzione del software in cui
le applicazioni sono ospitate da un fornitore di fornitore o servizio e messi a
disposizione dei clienti su una rete, rese accessibili come applicazione singola
o una parte di un più grande ventaglio di un servizio. [92]
1.7.3 Service Oriented Architectures (SOA)
Per SOA si intende un’architettura progettata per fornire risorse computazionali
(principalmente applicazioni e dati) su richiesta. A richiedere il servizio possono essere
altri servizi o utenti.
L'OASIS (Organizzazione per lo sviluppo di standard sull'informazione strutturata)
definisce la SOA così: Un paradigma per l'organizzazione e l'utilizzo delle risorse
distribuite che possono essere sotto il controllo di domini di proprietà differenti. Fornisce
un mezzo uniforme per offrire, scoprire, interagire ed usare le capacità di produrre gli
effetti voluti consistentemente con presupposti e aspettative misurabili.
Anche se esistono molteplici definizioni di SOA, solo il gruppo OASIS ha prodotto
una definizione formale applicabile profondamente sia alla tecnologia che ai domini
aziendali.
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
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Un'architettura orientata ai servizi è essenzialmente una collezione di servizi. Dove
un servizio è una funzione ben definita, autosufficiente, e non indipendente dagli altri
servizi.
Si compone essenzialmente di un fornitore di servizi ed un consumatore di servizi,
dove il consumatore fa richiesta di un servizio presso un fornitore. Il fornitore di servizi
restituisce un messaggio di risposta al consumatore di servizi. Un fornitore di servizi può
anche essere un consumatore di servizi.
Figura 27 Componenti tipici di un’architettura SOA
1.7.4 Interfacce per programmi applicativi (API)
Con Application Programming Interface (in acronimo API, in italiano Interfaccia di
Programmazione di un'Applicazione), in informatica, si indica ogni insieme di procedure
disponibili al programmatore, di solito raggruppate a formare un set di strumenti specifici
per l'espletamento di un determinato compito all'interno di un certo programma. Spesso
con tale termine si intendono le librerie software disponibili in un certo linguaggio di
programmazione.
La maggior parte delle API nel “Cloud Computing” sono associati a SaaS
solitamente realizzati come Web Services attraverso tecnologie REST, SOAP o JSON.
Web Service
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
- 69 -
Il termine "Web Services" può essere fonte di confusione. In informatica un Web
Service (servizio web), secondo la definizione data dal World Wide Web Consortium
(W3C), è un sistema software progettato per supportare l'interoperabilità tra machine-to-
machine su di una medesima rete ovvero in un contesto distribuito.
Il gruppo di lavoro W3C Web Services Architecture Working Group ha definito
“Web Services Architecture” che permette di implementare un “Web Service”:
[Un Web Service] ha un'interfaccia descritta in un formato a macchina (in
particolare WSDL). Altri sistemi possono interagire con il servizio Web in un modo
prescritto dalla sua descrizione attraverso lo scambio di messaggi utilizzando SOAP
(Simple Object Access Protocol), solitamente trasmesso tramite HTTP con una
serializzazione XML in combinazione con altri standard Web. [1]
La maggior parte dei servizi Web non adottano questa complessa architettura.
[Citazione necessaria] Questo articolo descrive in modo più dettagliato.
Il W3C afferma inoltre: Possiamo identificare due grandi classi di servizi Web:
Servizi Web REST-compliant, in cui l'obiettivo principale del servizio è quello
di manipolare rappresentazioni XML di risorse Web utilizzando un insieme
uniforme di operazioni apolidi.
Servizi Web arbitrarie, in cui il servizio può esporre un insieme arbitrario di
operazioni.
Web Components
I Web Components sono una specifica moderna introdotta nel HTML con l’avvento
della versione 5, essi non sono altro che un’implementazione dell’incapsulamento
nell’HTML che per quanto possa sembrare banale, fino alla versioni precedenti al 5 era
possibile solo attraverso linguaggi esterni all’HTML o “in fase di costruzione” del DOM
HTML.
I web Components si basano su due concetti fondamentali: Shadow Tree e l’import.
Insieme questi concetti permettono appunto l’incapsulamento nativamente in HTML
migliorando l’utilizzo di tecniche quali l’AJAX o la progettazione per componenti anche
sull’HTML.
Home Energy Monitoring, reti di sensori ed efficienza energetica
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Responsive Layouts & CSS Framework
Nessun progetto legato all’interfacce basato su HTML può prescindere dalla scelta di un
buon framework CSS. HTML5 fornisce la struttura e gli artifizi necessari ad avere un
DOM quanto più potente possibile. D’altro canto il CSS è il motore che dà corpo al DOM
HTML. Un framework CSS scelto adeguatamente può abbassare i tempi di produzione
rispetto alle a feature da implmentare lato interfaccia in maniera drastica e decisiva.
La parola d’ordine per un’interfaccia basata per applicazione Web Browser è
“Responsive”. Che indica la capacità di un’interfaccia di adattarsi alla dimensione
dell’area utile alla visualizzazione, non semplicemente ridimensionando la stessa, ma
riorganizzandola secondo gli spazi e la modalità di interazione disponibile.
Tale “tecnica” oggi definita ormai una caratteristica imprescindibile è direttamente
ereditata da un’altra caratteristica ormai oggi un MUST ovvero “CSS LAYOUT GRID”,
che in qualche modo è una delle tecniche abilitanti del Responsive.
Con Layout GRID CSS intende un insieme di dicharazioni CSS utilizzabili un
criterio definito dallo stesso framework che permette di suddividere liberamente la
visualizzazione del DOM HTML attraverso una GRGLIA pre-definita. I vantaggi iniziali
di tale tecnica è il riutilizzo del codice è omolgazione della visualizzazione nonché
vantaggi collaterali come debugging più facile.
Il Layout GRID CSS diviene tecnica abilitante per il responsive nel momento in cui
si “importa” l’efficienza nel creare e gestire layout con attraverso griglie pre-realizzate su
visualizzazioni a “risoluzioni differenti”.
Infatti se è semplice e performante realizzare un layout “solido”, lo è anche farlo per
“diverse risoluzioni”. Questo è il concetto che sta alla base della tecnica Responsive.
Le strategie per rendere responsive un’applicazione responsive sono diverse, ma la
più utilizzata è quella di definire layout diversi attraverso GRID CSS per “range di
risoluzioni” abilitando l’applicazione per categorie di dispositivi, quali: desktop, tablet,
smartphone…. Ecc.
La scelta per il CSS frameworK più adatta è ricaduta su CSS Foundation, un
framework molto completo che tra le sue feature più importanti troviamo: responsive
layout, grid layout e widget ed elementi pre-realizzati molto utili quali, tab, barre di
navigazione ecc.
Il progetto
- 71 -
Capitolo 2. Il progetto
2.1 Introduzione
Il progetto si è posto lo scopo di analizzare le tecnologie abilitanti e le problematiche
dell’implementazione di un sistema di ‘Home Energy Monitoring’ in grado di fornire un
supporto adeguato ad un uso intelligente dell’energia elettrica attraverso i dati raccolti.
Il progetto si compone di alcune componenti che si diversificano sia
tecnologicamente che architetturalmente. Ottenute dall’analisi dei requisiti via-via che si
analizzava a livelli differenti il problema dell’Home Energy Monitoring.
Progetto che comprendere una Wireless Sensor Network basata su Arduino ed un
sistema di accesso alle informazioni composto da un Web-Service ed un Web Client
Application realizzati con DARTLANG.
Affronteremo le componenti del progetto così come sono state trattate durante tutto
il progetto nelle fasi di analisi, definizione e sviluppo. Partendo dal contesto sino a
giungere alla realizzazione dei singoli componenti.
In generale possiamo contestualizzare alcuni “macro requisiti” frutto di un analisi
preliminare del progetto nel quale oltre alla necessità basilare di acquisizione dei dati è
emersa la necessità di un sistema di distribuzione ed accesso sia dell’informazione che del
software adeguato ai mutevoli requisiti utente quale sarà fruitore principale.
Ne consegue un progetto caratterizzato da:
Il progetto
- 72 -
- Funzioni di Sensing e Data Logging;
- Architettura software per l’accesso all’informazione di tipo Client / Server
attraverso tecnologie Internet e Web;
- Visualizzazione Dati;
Il progetto
- 73 -
2.2 Contesto
Il progetto si inserisce in un contesto tecnologico e sociale pre-esistenti, i quali
rappresentano il substrato su cui si è fondata tutta la progettazione del sistema.
Il contesto a cui facciamo riferimento caratterizzato da: un’abitazione italiana dotata
di impianto fotovoltaico e collegamento alla linea esterna per la fornitura di energia
elettrica; l’abitazione è utilizzata come dimora principale da una famiglia composta da 5
persone;
Figura 28 Flussi di corrente elettrica nel contesto di riferimento
Descrizione dei componenti dell’immagine:
(A) Inverter di stringa Aurora PVI-6000-TL-OUTD 6 kW: ha il compito di
gestire i flussi energetici provenienti dalle “stringhe di pannelli solari” e
convertirli i un flusso di corrente elettrica alternata standard, che per l’Italia è
pari 230V 50Hz; si occupa anche di memorizzare quantità e statistiche
sull’energia trasformata; il modello in questione ha una capacità massima di
conversione pari a 6 KW e tale portata è sempre superiore alla quantità
Il progetto
- 74 -
massima di corrente elettrica che i pannelli fotovoltaici possono produrre
secondo le specifiche tecniche;
(B) Contattore elettrico fornito dall’azienda di distribuzione dell’energia
elettrica dedicato per l’impianto fotovoltaico: ha il solo compito del conteggio
dell’energia prodotta dall’impianto fotovoltaico;
(C) Contatore elettrico fornito dall’azienda di distribuzione dell’energia
elettrica dedicato per l’abitazione: su di esso sono collegate 3 linee elettrica;
una collegata alla linea di distribuzione elettrica esterna, una alla linea di
distribuzione di energia elettrica prodotta dall’impianto fotovoltaico e l’ultima
alla distribuzione interna dell’abitazione; si occupa dello smistamento dei flussi
di energia elettrica tra l’abitazione, l’impianto fotovoltaico e la linea di
distribuzione esterna; il contatore (C) in base ai flussi energetici richiesti può
operare 3 diverse azioni:
Caso 1) Nel caso in cui l’energia elettrica assorbita dall’abitazione risultasse
inferiore rispetto a quella erogata dal sistema fotovoltaico, il contatore dirotterà
il flusso di corrente elettrica superflua sulla rete di distribuzione esterna;
Caso 2) Nel caso in cui l’assorbimento elettrico dell’abitazione risultasse
maggiore rispetto alla corrente elettrica erogata dall’impianto fotovoltaico, il
contatore (C) sopperirà tale deficit assorbendo corrente elettrica dalla rete di
distribuzione esterna;
Caso 3) Ne caso cin cui l’assorbimento elettrico dell’abitazione risultasse pari
alla produzione del sistema fotovoltaico, il contatore (C) dirotterà l’intero
flusso energetico dell’impianto verso l’abitazione senza assorbire ulteriore
energia dalla rete (caso estremamente raro);
Il progetto
- 75 -
2.3 Progettazione
Il progetto è stato sviluppato effettuato una continua analisi dei requisiti, progettazione e
sviluppo dei componenti. Effettuando aggiornamenti e modifiche in conformità alla
specifiche dei vari componenti.
Il punto di partenza della progettazione è stata la stesura di un diagramma di Use
Case che avrebbero caratterizzato principalmente il progetto.
L’immagine rappresenta l’analisi preliminare che è stata effettuata sul sistema: da
un lato abbiamo l’utente finale (End User) che ha la necessità di utilizzare i dati secondo
le sue esigenze quali potrebbero essere la Visualizzazione (Data Visualizzation) o
operazioni di predizione dei dati (Data Prediction), più genericamente ha necessità di
utilizzare i dati (Using Data); L’utilizzo dei dati presuppone che i dati siano stati pre-
processati a dovere (pre-processing); proseguendo, l’azione di pre-processamento a sua
volta presuppone la necessità che i dati siano stati “stoccati”; Infine abbiamo lo Use Case
dell’acquisizione dei dati (Data Acquisition) che caratterizza la necessità di acquisire i
dati da una qualche sorgente;
Generalizzando lo Use Case precedente emerge che le necessità dirette che l’utente
richiede non possono prescindere di altri bisogni.
Il progetto
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2.4 Componenti del sistema
Tali Use Case preliminari seppur estremamente generalizzati rappresentano
adeguatamente i macro obiettivi del progetto facendo emergere quali sarebbero stati i
componenti del progetto.
Componenti che rappresentano un modello preliminare del sistema:
Data Acquisition:
Sensing: Accesso alle sorgenti delle Informazioni
Data Sampling: Acquisizione delle informazioni
Data Logging: Sistema Storage dei dati
Data Pre-processing
Data Visualizzation
Dal modello preliminare del sistema è stata redatta una “Road Map” per la
realizzazione delle componenti del sistema rispettando il flusso degli input output delle
componenti principali. In particolare la “Road Mad” si estende a partire dal componente
Il progetto
- 77 -
SW per il Data Acquisition, seguito dal Data Logging proseguendo con il Data Pre-
processing e concludendo con il Data Visualizzation;
2.4.1 Architettura Sistema
Definite le componenti principali del sistema è stato necessario posizionare le componenti
logiche nelle componenti fisiche del sistema attraverso una sua architettura che realizzano
le specifiche dei singoli componenti:
Sensor Network
Sensor Node
Base Station / Gateway
Server / Client
Il progetto
- 78 -
2.5 Acquisizione dei Dati
Il componente del sistema che sopperisce alla necessità dell’Acquisizione dei Dati” si
scompone in due sotto componenti rispettivamente atte a effetturare il
Data Sensing: operazione attraverso la quale il sistema è letteralmente in grado
di “sentire” l’informazione a cui siamo interessati;
Data Sampling: sentire non basta, è necessario rilevare l’informazione
effettuando un campionamento (Sampling);
2.5.1 Sensing
Accesso alle Sorgenti delle informazioni
Secondo il contesto in cui è stato progettato il sistema si ha la necessità di accedere alle
sorgenti fisiche per rilevare le informazioni relative a:
Produzione di energia elettrica
Consumo di energia elettrica
Il progetto
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Sensori di corrente
Per il progetto si è scelto di utilizzare due sensori di corrente posizionati come
nell’immagine. Il tipo di sensore scelto sono in grado di effettuare il sensing della
corrente attraverso l’Effetto Hall, il quale sfrutta il campo magnetico di un cavo elettrico,
campo generato dal passaggio di elettricità. Con lo stesso principio sono realizzati alcuni
trasformatori di corrente.
Tale sensore risulta particolarmente adatto all’utilizzo in questione perché non
necessita alcun intervento sull’impianto elettrico dunque risulta semplice da installare e
privo di rischi per l’utente finale. Presenta comunque alcune limitazioni quali sensibilità e
possibili interferenze con altri campi magnetici.
Il progetto
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Yhdc Current Transformer SCT-013-000
Input Amps 0-30
Output 0-1V
Circuito di supporto al Sensing
Il sensore di corrente ad effetto Hall è in grado di rilevare la corrente elettrica che
attraversa un conduttore sfruttando le proprietà fisiche del suo “Core” in metallo, in
particolare nel suo “core” in metallo si crea una corrente elettrica generato dal campo
magnetico di intensità proporzionale alla corrente elettrica che scorre nel conduttore che
si sta analizzando.
Nel progetto il conduttore analizzato è attraversato da una corrente alternata che
produce un campo magnetico le quali linee di forza varieranno istante per istante,
producendo una corrente alternata anche nel “core” del sensore. Mentre il dispositivo
scelto per il sampling è in grado di trattare solo correnti continue o pulsanti.
È stato necessario realizzare un circuito detto “rectifier”, trasformando la corrente
elettrica prodotta dal sensore da “alternata” in “pulsante”.
Figura 29 - Esempio di corrente alternata trasformata in corrente pulsante attraverso un circuito
rectifier
Il progetto
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Il circuito rettificatore precedente è stato configurato per poter essere utilizzato sul
dispositivo Arduino in particolare considerando il voltaggio input/output della stessa.
Figura 30 - Schema di circuito rectifier per Arduino
Figura 31 - Prototipo dello schema del circuito rectifier per arduino
Il progetto
- 82 -
Figura 32 - Circuito rectifier per due sensori realizzato per il progetto
2.5.2 Sampling
Nella fase di sampling è necessario calcolare l’intensità della corrente “pulsante”
erogata dal sensore attraverso il circuito di supporto. A tal necessità è stata utilizzata una
libreria per Arduino [EMON] che permette il calcolo dell’intensità di corrente pulsante
sugli ingressi analogici di Arduino.
Il software realizzato per il Sensor Node rispettando le specifiche di Arduino è
caratterizzato da due stati principali:
config(): stadio in cui si eseguono le procedure di configurazione iniziale di
Arduino, esso viene eseguito una sola volta immediatamente dopo aver
alimentato arduino;
loop(): dopo lo stato di “config” viene eseguito lo stato “loop” finchè non si
invia un segnale di interruzione o viene interrotta l’alimentazione; in tale
stadio risiedono tutte le procedure operative del sensor node;
Il progetto
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Figura 33 - Stati principali del software di Sampling
Nel nostro caso lo stadio di “Loop” è caratterizzato da due procedure:
checkTimeSync(): tale procedura contiene le operazioni che permettono al
Sensor Node di accogliere un messaggio contenente l’ora corrente in formato
UTC; tale procedura permette alla scheda Arduino di sincronizzare l’orologio
interno con l’orologio del Gateway /Base Station;
sensorOperations(): mentre in questa procedura sono contenute tutte le
operazioni di sampling sui sensori;
Procedura di sincronizzazione dell’orologio interno
La procedura checkTimeSync() controlla se sul canale di comunicazione seriale della
scheda Arduino ci siano dati in ingresso attraverso il metodo Serial.avaliable().
Se sono presenti dati vengono “ascoltati” si verifica che il messaggio ricevuto dal
Gateway / Base Station sia formattato seguente T<UnixTimeStamp>. Messaggio che
viene utilizzato impostare l’orologio interno che verrà interrogato per conoscere l’istante
in cui viene effettuato un determinato sampling.
E’ impostante segnalare che tale procedura viene “eseguita” ad ogni nuovo ciclo di
esecuzione della procedura che la contiene, la “loop”. Tale caratteristica permette di
risincronizzare l’orologio del Sensor Node in qualsiasi istante.
Altro dettaglio importante è la possibilità di effettuare il sampling anche senza che
la scheda Arduino abbia ricevuto il messaggio di sincronizzazione dell’orologio. In tal
caso i sampling generati non conterranno alcun dato sul tempo di generazione
dell’informazione.
Il progetto
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Procedura per il sampling dei dati dai sensori
La procedura sensorOperations() contiene tutta la logica per effettuare il sampling dei dati
dai sensori. Una delle sue caratteristiche principali è quella di effettuare un sampling di
due tipologie che chiameremo “sampling multiplo”, sullo stesso sensore.
Tipologie di Campionamento:
Sampling istantaneo: ogni qual volta è possibile effettuare la lettura dal
sensore;
Samapling aggregato: un aggregazione di “sampling istantanei” di durata
prefissata (nel presente caso di 1,5,10 minuti); l’aggregazione viene effettuata
aggiornato la “media” relativi al sampling aggregato attraverso i sampling
istantaneo; al termine di ogni “sampling aggregato” sarà azzerato e n verranno
generati di nuovi; i valori generati dal sampling istantaneo sono: la media dei
valori, il valore massimo ed il valore minimo, ed infine lo scarto quadratico sui
valori rilevati;
Di seguito il flow chart che descrive la logica dei campionamenti poco sopra
descritti.
Il progetto
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Figura 34 Flow Chart del componente software per l’aggregazione dei dati su diversi intervalli di
tempo
Il progetto
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Output dei sampling
L’output di ogni sampling è caratterizato da un “array” di informazioni separate da un
simbolo speciale.
Il simbolo speciale utilizzato come separatore, posizione e sintassi di ogni
informazione sono necessariamente da condividere su qualsiasi componente debba
trattare le informazioni generate dal sensor node: quali il gateway o il server per il pre-
processing;
La stringa generata per ogni sampling dunque conterrà:
DATE
o ‘NONE’ nel caso in cui non sia stata in grado di sincronizzare il suo
orologio interno;
TIME
o ‘NONE’ nel caso in cui non sia stata in grado di sincronizzare il suo
orologio interno;
TIME ZONE
o Ad esempio 200+
o ‘NONE’ nel caso in cui non sia stata in grado di sincronizzare il suo
orologio interno;
ID OF SAMPLING
o 0M per i sampling istantanei
o 1M per i sampling aggregati di durata pari a 1 minuto
o 5M per i sampling aggregati di durata pari a 5 minuti
o 10 per i sampling aggregati di durata pari a 10 minuti
TYPE SENSING DATA
o Nel nostro caso ‘CURRENT’
ID SENSOR
o ‘1’ per il sensore per rilevare il consumo di elettricità
o ‘2’ per il sensore per rilevare la produzione di elettricità
Il progetto
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CATEGORY OF SAMPLING:
o ‘A’ per i sampling aggregati
o ‘S’ per i sampling istantanei (inizialmente denominati “single”)
VALUES
o Per il sampling istantaneo è caratterizzato dal solo valore letto;
o Per il sampling aggregato è composto dalla
Media dei valori;
Il valore massimo;
Il valore minimo;
Lo scarto quadratico sui valori rilevati;
Di seguito un esempio di stream prodotto dai sampling sul sensor node:
…………
2014-07-24#09:15:24#+0200#0M#CURRENT#1#S#9.15
2014-07-24#09:15:30#+0200#0M#CURRENT#1#S #9.14
2014-07-24#09:15:31#+0200#0M#CURRENT#1#S #9.17
2014-07-24#09:15:37#+0200#1M#CURRENT#1#A#1.85#1.20#2.41#0.40
2014-07-24#09:15:38#+0200#0M#CURRENT#1#S #9.11
………
External Storage
Per mantenere la struttura del Sensor Node quanto più semplice ed efficiente
possibile si è scelto di effettuare lo storage delle informazioni del sensing estarnamente al
nodo.
In particolare il sensor node realizza uno stream di dati continuo ed è compito del
gateway/ base station catturare tale stream ed effettuare le adeguate procedure di logging.
Il progetto
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2.6 Data Logging
Il componente dedicato al Data Logging ha il compito principale di effettuare lo storage
delle informazioni provenienti dai Sensor Node.
In l’analisi dei requisiti ha realizzato un componente che effettua la cattura dello
Stream dei dati provenienti dal Sensor Node che memorizza sotto forma di DataSets di
dati RAW. Inoltre è in grado di inviare comandi al sensor node quale il comando per la
sincronizzazione ed infine fornisce una visualizzazione preliminare dei dati non pre-
processati.
Quest’ultima funzionalità realizzata per poter migliorare l’usabilità del sistema
fornendo un feedback immediato delle informazioni catturate al fine prevenire,
diagnosticare e/o risolvere malfunzionamenti nel processo di acquisizione sin qui eseguito
dal sistema.
Figura 35 “Data Logging” rispetto all’architettura del Sistema
Ulteriori vincoli emersi durante la fase di progettazione del componente per il Data
Logging sono state:
L’essere realizzato da software cross platform;
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L’essere caratterizzato da HW e SW in grado di gestire il maggior numero di
comunicazione Seriali (BlueTooth, USB);
Base Stattion / Gateway
Il componente di Data Logging è stato identificato nel componente Gateway della
WSN, in particolare in nodo della rete che ha la doppia funzionalità di
Base Station per la comunicazione BluteTooth
Gateway e per la Senso Network
Fornendo da un lato il collegamento con il nodo della Sensor Network
E dall’altro un collegamento alla rete Internet per poter rendere accessibili i
data sets al server per il pre-processing;
Figura 36 Componente astratto ‘Data Logging’ nell’architettura del Sistema messo a confronto con il
componente fisico del sistema implementato nel Sistema
Il componente Base Station / Gateway con funzionalità di Logging in questo caso ha
un ruolo fondamentale in quanto un suo malfunzionamento potrebbe compromettere
l’integrità dell’intero storico dei dati.
Il sistema può essere un qualsiasi dispositivo x86 compatibile perché il software
realizzato per il Data Logging e pre evisualizzazione è realizzato attraverso il linguaggio
di programmazione Java che come noto è un linguaggio cross-platform.
In fine una simile configurazione rende possibile la possibilità di inglobare
all’interno del Gateway / Base station anche le funzionalità di Server abbassando
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ulteriormente la complessità del sistema dal punto di vista del numero di componenti
HW.
Struttura Data Logging
Figura 37 Struttura completa delle componente dei componente astratto ‘Data Logging’
implementato nel componente fisico del Gateway / Base Station
Il Software realizzato per il Gateway / Base è composto dai seguenti componenti:
Interfaccia Seriale: è l’interfaccia software che permette la comunicazione con
il Sensor Node attraverso la comunicazione Seriale, indipendentemente dalla
tecnologa che si è scelta di utilizzare;
Cattura dello Stream: componente software che rastrella lo stream di dati
rilevati sul canale di comunicazione seriale e ne estrae le informazioni
effettuando una validazione preliminare dei dati basata sulla struttura dei
messaggi in accordo con le specifiche del Sensor Node;
Sync Time Command: componente software che all’inizializzazione
dell’operazione di Data Logging invia il “comando di sincronizzazione
dell’orologio” al Sensor Node attraverso il canale di comunicazione Seriale;
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Data Logging: componente software che prende in input le informazioni
rastrellate dal modulo di “Cattura dello Stream” e ne effettua lo storage nel file
system costruendo i Data Sets composto da Folder e File CSV strutturati in
maniera precisa;
User Interface: interfaccia utente che permette all’utente di
Inizializzare o interrompere il Logging dei dati
Visualizzare attraverso una visualizzazione in tempo reale” i dati ricevuti dai
sensori della WSN;
Comunicazioni con il Sensor node
Il Gateway / Base Station dal punto di vista della “Comnicazione” deve supportare due
tipi di comunicazione:
Comunicazione con i nodi della WSN (Funzionalità di Base Station): utilizza
un Interfaccia Seriale in grado di funzionare con qualunque dispositivo Seriale
che il Sistema Operativo supporta; in particolare il progetto in questione è in
grado di comunicare indifferentemente con il Sensor Node sia che esso sia
collegato via
USB;
BlueTooth;
Adattatore USB Seriale TX/RX;
Comunicazione con il Sever (Funzionalità di Gateway): importante risulta la
necessità di mettere in comunicazione la WSN con le reti esterne, in questo
caso è stato sufficiente utilizzare una connessione alla rete a Internet;
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Sync Time Command e Ricezione dei Dati
Il commando di Sincronizzazione dell’orologio del Sensor Node è realizzato dal
“Gateway / Base Station” ed inviato al Sensor Node attraverso il canale di comunicazione
seriale. Tale procedura influisce sul trattamento delle informazioni ricevute dal Sensor
Node in quanto è propedeutica alla possibilità di “Temporizzare” i dati da parte del
Sensor Node.
Identifichiamo il comando di sincronizzazione del dell’orologio come “Sync Time
Command” e rispettivamente la sincronizzazione dell’orologio come “Sync Time”.
Seppur il “Sync Time Command” è realizzato all’inizio di ogni sessione di Data Logging
il software è in grado di trattare i dati ricevuti anche senza la sincronizzazione
dell’orologio del Sensor Node in fatti se:
Sync Time ATTIVO: se il Sensor Node ha ricevuto e riconosciuto
correttamente il “Sync Time Command” è in grado di “Temporizzare tutti i dati
che invia al Gateway / Base Station e le stringhe conterranno tutte le
informazioni relative alla data, l’ora