From data to applications in the Internet of Things

Con la crescita in complessità delle infrastrutture IT e la pervasività degli scenari di Internet of Things (IoT) emerge il bisogno di nuovi modelli computazionali basati su entità autonome capaci di portare a termine obiettivi di alto livello interagendo tra loro grazie al supporto di infrastrutture come il Fog Computing, per la vicinanza alle sorgenti dei dati, e del Cloud Computing per offrire servizi analitici complessi di back-end in grado di fornire risultati per milioni di utenti. Questi nuovi scenarii portano a ripensare il modo in cui il software viene progettato e sviluppato in una prospettiva agile. Le attività dei team di sviluppatori (Dev) dovrebbero essere strettamente legate alle attività dei team che supportano il Cloud (Ops) secondo nuove metodologie oggi note come DevOps. Tuttavia, data la mancanza di astrazioni adeguata a livello di linguaggio di programmazione, gli sviluppatori IoT sono spesso indotti a seguire approcci di sviluppo bottom-up che spesso risulta non adeguato ad affrontare la compessità delle applicazione del settore e l'eterogeneità dei compomenti software che le formano. Poichè le applicazioni monolitiche del passato appaiono difficilmente scalabili e gestibili in un ambiente Cloud con molteplici utenti, molti ritengono necessaria l'adozione di un nuovo stile architetturale, in cui un'applicazione dovrebbe essere vista come una composizione di micro-servizi, ciascuno dedicato a uno specifica funzionalità applicativa e ciascuno sotto la responsabilità di un piccolo team di sviluppatori, dall'analisi del problema al deployment e al management. Poichè al momento non si è ancora giunti a una definizione univoca e condivisa dei microservices e di altri concetti che emergono da IoT e dal Cloud, nè tantomento alla definzione di linguaggi sepcializzati per questo settore, la definzione di metamodelli custom associati alla produzione automatica del software di raccordo con le infrastrutture potrebbe aiutare un team di sviluppo ad elevare il livello di astrazione, incapsulando in una software factory aziendale i dettagli implementativi. Grazie a sistemi di produzione del sofware basati sul Model Driven Software Development (MDSD), l'approccio top-down attualmente carente può essere recuperato, permettendo di focalizzare l'attenzione sulla business logic delle applicazioni. Nella tesi viene mostrato un esempio di questo possibile approccio, partendo dall'idea che un'applicazione IoT sia in primo luogo un sistema software distribuito in cui l'interazione tra componenti attivi (modellati come attori) gioca un ruolo fondamentale.

PycoTCP: Una libreria Python per l'Internet of Threads

Grazie all'evoluzione dei servizi di rete indirizzare le interfacce di rete come se fossero i veri destinatari delle comunicazioni è diventato obsoleto. Per questo è nato il concetto di Internet of Threads, in cui gli indirizzi IP sono assegnati ad ogni processo in esecuzione nel computer mediante una rete ethernet virtuale. Attualmente esistono progetti che forniscono la gestione della rete virtuale e librerie che forniscono lo stack TCP/IP da integrare all'interno dei propri programmi. Queste librerie richiedono però la modifica e ricompilazione del proprio codice, anche a causa della loro interfaccia differente dai Berkeley Socket. Attraverso PycoTCP è possibile sperimentare all'interno di un ambiente IoTh senza riscrivere il proprio codice. Inoltre unifica le API fornite dalle librerie sottostanti esponendo una interfaccia identica a quella standard del Python, in modo che non sia necessario imparare un altro metodo di programmazione per utilizzare il nuovo paradigma.

Routex: un Router Multitecnologia per Internet of Things

L'Internet of Things (IoT) è oggetto di grande interesse per la ricerca e per l'industria. Le numerose tecnologie che sono state sviluppate rendono possibile la creazione di nuovi e utili servizi, ma introducono problemi legati alla reciproca incompatibilità. Nell'elaborato si analizza nel dettaglio questa situazione e si descrive l'implementazione di un sistema che ha come obiettivo la realizzazione di una rete composta da dispositivi che fanno uso di tecnologie differenti. Il progetto usa un Raspberry Pi come router, il cui scopo è quello di gestire le differenze fra gli standard di comunicazione utilizzati. Le tecnologie wireless supportate sono: WiFi, Bluetooth, ZigBee, nRF24L01 e moduli radio 433MHz. Sulla rete cosi formata è inoltre possibile lo sviluppo di applicazioni IoT, grazie alle logiche di funzionamento messe a disposizione dal sistema.

Soluzioni per conferire robustezza a un broker di informazioni semantiche per l'Internet of Things basato su OSGi

Negli ultimi 50 anni Internet è passata da una piccola rete di ricerca, formata da pochi nodi, ad un’infrastruttura globale capace di connettere più di un milione di utenti. La progressiva miniaturizzazione e la riduzione di costi di produzione dei dispositivi elettronici, permette, tuttora, l’estensione della rete a una nuova dimensione: gli oggetti intelligenti. In questi scenari dove le risorse di rete sono spesso proibitive o la mobilità dei nodi è una caratteristica comune, è necessario che sia garantita forte robustezza a transitori di connessione. Lo dimostra uno studio precedente riguardo ad un applicativo d'agricoltura di precisione denominato Agri-Eagle. In esso vengono confrontate due diverse implementazioni utilizzando il framework SMART M3 e MQTT. Il lavoro di tesi in esame ne estende le considerazioni ed esplora vari metodi per conferire robustezza ad applicazioni sviluppati su SMART-M3. Verrà studiata la funzionalità di Lastwill e Testament proprie di MQTT e se ne tenterà una trasposizione nel mondo semantico. Infine verrà modificato il meccanismo di sottoscrizione in modo da renderlo più robusto a cadute di connessione.

Unmanned Aerial Wireless Networks For The Internet of Things

The need for data collection from sensors dispersed in the environment is an increasingly important problem in the sector of telecommunications. LoRaWAN is one of the most popular protocols for low-power wide-area networks (LPWAN) that is made to solve the aforementioned problem. The aim of this study is to test the behavior of the LoRaWAN protocol when the gateway that collects data is implemented on a flying platform or, more specifically, a drone. This will be pursued using performance data in terms of access to the channel of the sensor nodes connected to the flying gateway. The trajectory of the aircraft is precomputed using a given algorithm and sensor nodes’ clusterization. The expected results are as follows: simulate the LoraWAN system behavior including the trajectory of the drone and the deployment of nodes; compare and discuss the effectiveness of the LoRaWAN simulator by conducting on-field trials, where the trajectory design and the nodes’ deployment are the same.

Asynchronous Contact Tracing, Fighting Pandemics with Internet of Things

La pandemia da COVID-19 ha cambiato le nostre vite obbligandoci a vivere mesi di lockdown, distanziamento sociale ed uso delle mascherine. Il distanziamento sociale e l'uso delle mascherine, anche dopo la prima fase della pandemia, sono state le contromisure principali in quanto permettevano di limitare i contagi permettendo comunque alla gente di uscire di casa. Tutte queste contromisure hanno creato gravi danni all'economia del paese e alla vita personale dei cittadini. Dalla fase iniziale della pandemia si è capito che per gestirla al meglio era necessario effettuare il numero maggiore di tamponi possibili per monitorare al meglio la diffusione del virus ma ciò non era possibile in quanto non esistevano le tecnologie necessarie per testare milioni di persone al giorno. Da questa necessità sono nati i sistemi di Contact Tracing, sistemi che permettono di monitorare in modo anonimo e protetto i contatti sociali delle persone così da capire se sono entrate in contatto con persone infette dal COVID-19 e solo in quel caso effettuare un tampone in modo tale da verificare se sono stati contagiati o meno. Tutti i sistemi di Contact tracing sviluppati ad oggi hanno mostrato problemi relativi alla protezione dei dati, alla scarsa ed inefficace comunicazione e non hanno ridotto al meglio il numero di tamponi effettuati per rilevare realmente coloro che erano stati contagiati avendo quindi uno scarso utilizzo soprattutto a causa della poca fiducia degli utenti riguardo l'utilizzo dei loro dati ed al fatto che dovevano autodichiararsi positivi. Con questa tesi presenterò una nuova tecnica per effettuare il Contact Tracing che combina l'utilizzo del Group Testing all'utilizzo dell'IoT e delle reti per tracciare i contatti tra gli utenti ed il virus chiamata Asynchronous Contact Tracing. Mostrerò come è stato progettato e sviluppato e mostrerò le performance grazie a degli esperimenti reali.