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.

Progetto e valutazione di una piattaforma sperimentale di Internet of Energy per veicoli elettrici

This dissertation deals with the development of a project concerning a demonstration in the scope of the Supply Chain 6 of the Internet of Energy (IoE) project: the Remote Monitoring Emulator, which bears my personal contribution in several sections. IoE is a project of international relevance, that means to establish an interoperability standard as regards the electric power production and utilization infrastructure, using Smart Space platforms. The future perspectives of IoE have to do with a platform for electrical power trade-of, the Smart Grid, whose energy is produced by decentralized renewable sources and whose services are exploited primarily according to the Internet of Things philosophy. The main consumers of this kind of smart technology will be Smart Houses (that is to say, buildings controlled by an autonomous system for electrical energy management that is interoperable with the Smart Grid) and Electric Mobility, that is a smart and automated management regarding movement and, overall, recharging of electrical vehicles. It is precisely in the latter case study that the project Remote Monitoring Emulator takes place. It consists in the development of a simulated platform for the management of an electrical vehicle recharging in a city. My personal contribution to this project lies in development and modeling of the simulation platform, of its counterpart in a mobile application and implementation of a city service prototype. This platform shall, ultimately, make up a demonstrator system exploiting the same device which a real user, inside his vehicle, would use. The main requirements that this platform shall satisfy will be interoperability, expandability and relevance to standards, as it needs to communicate with other development groups and to effectively respond to internal changes that can affect IoE.

Relativistic Twin: Generazione Automatica di Digital Twin in un ambiente Web of Things

Con l’avvento dell’Industry 4.0, l’utilizzo dei dispositivi Internet of Things (IoT) è in continuo aumento. Le aziende stanno spingendo sempre più verso l’innovazione, andando ad introdurre nuovi metodi in grado di rinnovare sistemi IoT esistenti e crearne di nuovi, con prestazioni all’avanguardia. Un esempio di tecniche innovative emergenti è l’utilizzo dei Digital Twins (DT). Essi sono delle entità logiche in grado di simulare il reale comportamento di un dispositivo IoT fisico; possono essere utilizzati in vari scenari: monitoraggio di dati, rilevazione di anomalie, analisi What-If oppure per l’analisi predittiva. L’integrazione di tali tecnologie con nuovi paradigmi innovativi è in rapido sviluppo, uno tra questi è rappresentato dal Web of Things (WoT). Il Web of Thing è un termine utilizzato per descrivere un paradigma che permette ad oggetti del mondo reale di essere gestiti attraverso interfacce sul World Wide Web, rendendo accessibile la comunicazione tra più dispositivi con caratteristiche hardware e software differenti. Nonostante sia una tecnologia ancora in fase di sviluppo, il Web of Thing sta già iniziando ad essere utilizzato in molte aziende odierne. L’elaborato avrà come obiettivo quello di poter definire un framework capace di integrare un meccanismo di generazione automatica di Digital Twin su un contesto Web of Thing. Combinando tali tecnologie, si potrebbero sfruttare i vantaggi dell’interoperabilità del Web of Thing per poter generare un Digital Twin, indipendentemente dalle caratteristiche hardware e software degli oggetti da replicare.

Integration of a simulation platform for electrical mobility within the arrowhead interoperability framework

This dissertation document deals with the development of a project, over a span of more than two years, carried out within the scope of the Arrowhead Framework and which bears my personal contribution in several sections. The final part of the project took place during a visiting period at the university of Luleå. The Arrowhead Project is an European project, belonging to the ARTEMIS association, which aims to foster new technologies and unify the access to them into an unique framework. Such technologies include the Internet of Things phe- nomenon, Smart Houses, Electrical Mobility and renewable energy production. An application is considered compliant with such framework when it respects the Service Oriented Architecture paradigm and it is able to interact with a set of defined components called Arrowhead Core Services. My personal contribution to this project is given by the development of several user-friendly API, published in the project's main repository, and the integration of a legacy system within the Arrowhead Framework. The implementation of this legacy system was initiated by me in 2012 and, after many improvements carried out by several developers in UniBO, it has been again significantly modified this year in order to achieve compatibility. The system consists of a simulation of an urban scenario where a certain amount of electrical vehicles are traveling along their specified routes. The vehicles are con-suming their battery and, thus, need to recharge at the charging stations. The electrical vehicles need to use a reservation mechanism to be able to recharge and avoid waiting lines, due to the long recharge process. The integration with the above mentioned framework consists in the publication of the services that the system provides to the end users through the instantiation of several Arrowhead Service Producers, together with a demo Arrowhead- compliant client application able to consume such services.

Internet dei veicoli, un nuovo paradigma per una mobilità intelligente e autonoma

Grazie al continuo affinamento dell'elettronica di consumo e delle tecnologie di telecomunicazione, ad oggi sempre più "cose" sono dotate di capacità sensoriali, computazionali e comunicative, si parla così di Internet delle cose e di oggetti "smart". Lo scopo di questo elaborato è quello di approfondire e illustrare questo nuovo paradigma nell'ambito dell'automotive, evidenziandone caratteristiche, potenzialità e limiti. Ci riferiremo quindi più specificatamente al concetto di Internet dei veicoli per una gestione ottimale della mobilità su strada. Parleremo di questa tecnologia non solo per il supporto che può dare alla guida manuale, ma anche in funzione del concetto di guida autonoma, di come quest'ultima beneficerà di un'interconnessione capillare di tutti gli utenti, i veicoli e le infrastrutture presenti sulla strada, il tutto in un'ottica cooperativa. Illustreremo quali sono le principali sfide per raggiungere uno scenario del genere e quali potrebbero essere le implicazioni più rilevanti.

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.

Ray-tracing assessment of the robustness of Physical Layer Security key generation protocol

Nowadays, information security is a very important topic. In particular, wireless networks are experiencing an ongoing widespread diffusion, also thanks the increasing number of Internet Of Things devices, which generate and transmit a lot of data: protecting wireless communications is of fundamental importance, possibly through an easy but secure method. Physical Layer Security is an umbrella of techniques that leverages the characteristic of the wireless channel to generate security for the transmission. In particular, the Physical Layer based-Key generation aims at allowing two users to generate a random symmetric keys in an autonomous way, hence without the aid of a trusted third entity. Physical Layer based-Key generation relies on observations of the wireless channel, from which harvesting entropy: however, an attacker might possesses a channel simulator, for example a Ray Tracing simulator, to replicate the channel between the legitimate users, in order to guess the secret key and break the security of the communication. This thesis work is focused on the possibility to carry out a so called Ray Tracing attack: the method utilized for the assessment consist of a set of channel measurements, in different channel conditions, that are then compared with the simulated channel from the ray tracing, to compute the mutual information between the measurements and simulations. Furthermore, it is also presented the possibility of using the Ray Tracing as a tool to evaluate the impact of channel parameters (e.g. the bandwidth or the directivity of the antenna) on the Physical Layer based-Key generation. The measurements have been carried out at the Barkhausen Institut gGmbH in Dresden (GE), in the framework of the existing cooperation agreement between BI and the Dept. of Electrical, Electronics and Information Engineering "G. Marconi" (DEI) at the University of Bologna.

An Image Recognition Software for Identification of Vehicle Homologation Tags

In recent years, we have witnessed great changes in the industrial environment as a result of the innovations introduced by Industry 4.0, especially in the integration of Internet of Things, Automation and Robotics in the manufacturing field. The project presented in this thesis lies within this innovation context and describes the implementation of an Image Recognition application focused on the automotive field. The project aims at helping the supply chain operator to perform an effective and efficient check of the homologation tags present on vehicles. The user contribution consists in taking a picture of the tag and the application will automatically, exploiting Amazon Web Services, return the result of the control about the correctness of the tag, the correct positioning within the vehicle and the presence of faults or defects on the tag. To implement this application we ombined two IoT platforms widely used in industrial field: Amazon Web Services(AWS) and ThingWorx. AWS exploits Convolutional Neural Networks to perform Text Detection and Image Recognition, while PTC ThingWorx manages the user interface and the data manipulation.

Satellite IoT: a Study and Performance Analysis of GEO and LEO Systems

The study is divided into two main part: one focused on the GEO Satellite IoT and the other on the LEO Satellite IoT. Concerning the GEO Satellite IoT, the activity has been developed in the context of EUMETSAT Data Collection Service (DCS) by investigating the performance at the receiver within challenging scenarios. DCS are provided by several GEO Satellite operators, giving almost total coverage around the world. In this study firstly an overview of the DCS end-to-end architecture is given followed by a detailed description of both the tools used for the simulations: the DCP-TST (message generator and transmitter) and the DCP-RX (receiver). After generating several test messages, the performances have been evaluated with the addition of impairments (CW and sweeping interferences) and considerations in terms of BER and Good Messages are produced. Furthermore, a study on the PLL System is also conducted together with evaluations on the effectiveness of tuning the PLL Bw on the overall performance. Concerning the LEO Satellite IoT, the activity was carried out in the framework of the ASI Bidirectional IoT Satellite Service (BISS) Project. The elaborate covers a survey about the possible services that the project can accomplish and a technical analysis on the uplink MA. In particular, the LR-FHSS is proved to be a valid alternative for the uplink through an extensive analysis on its Network capacity and through the study of an analytic model for Success Probability with its Matlab implementation.

Development of a health parameters tracking wearable device for detection of stress episodes and principles of panic attacks

A proof of concept for a wearable device is presented to help patients who suffer from panic attacks due to panic disorder. The aim of this device is to enable such patients manage these stressful episodes by guiding them to regulate their breathing and by informing the care taker. Panic attack prediction is deployed that can enable the healthcare providers to not only monitor and manage the panic attacks of a patient but also carry out an early intervention to reduce the symptom severity of the approaching panic attack. The patient can acquire the help they need, ultimately regaining control. The concept of panic attack prediction can lead to a personalized treatment of the patient. The study is conducted using a small real-world dataset, and only two primary symptoms of panic attack are used. These symptoms include pacing heart rate and hyperventilation or abnormal breathing rate. This thesis project is developed in collaboration with ALTEN italia and all the required hardware is provided by them.

Tecnologie ad agenti e sistemi embedded

Information technology (IT) is on the verge of another revolution. Driven by the increasing capabilities and ever declining costs of computing and communications devices, IT is being embedded into a growing range of physical devices linked together through networks and will become ever more pervasive as the component technologies become smaller, faster, and cheaper. [..] These networked systems of embedded computers, referred to as EmNets throughout this report, have the potential to change radically the way people interact with their environment by linking together a range of devices and sensors that will allow information to be collected, shared, and processed in unprecedented ways.[..] The use of EmNets throughout society could well dwarf previous milestones in the information revolution.[..] IT will eventually become \textbf{an invisible component of almost everything} in everyone`s surroundings. Con il ridursi dei costi e l'aumentare della capacità di computazione dei componenti elettronici sono proliferate piattaforme che permettono al bambino come all'ingegnere di sviluppare un'idea che trasversalmente taglia il mondo reale e quello virtuale. Una collisione tra due mondi che fino a poco tempo fa era consentita esclusivamente a professionisti. Oggetti che possono acquisire o estendere funzionalità, che ci permettono di estendere la nostra percezione del mondo e di rivalutarne i suoi limiti. Oggetti connessi alla 'rete delle reti' che condividono ed elaborano dati per un nuovo utilizzo delle informazioni. Con questa tesi si vuole andare ad esplorare l'applicazione degli agenti software alle nuove piattaforme dei sistemi embedded e dell'Internet of Things, tecnologie abbastanza mature eppure non ancora esplorate a fondo. Ha senso modellare un sistema embedded con gli agenti?

Un framework per applicazioni di monitoraggio e domotica basato su tecnologie android e arduino

Questa tesi tratta dello sviluppo di un progetto chiamato Faxa e di una sua concreta applicazione nell’ambito della domotica (CasaDomotica). Faxa è un framework per la comunicazione via wireless tra dispositivi che supportano il sistema operativo Android e dispositivi Arduino Ethernet, comunicazione che avviene localmente attraverso il wi-fi. Il progetto si inserisce nel panorama più ampio chiamato “Internet of Things”, ovvero internet delle cose, dove ogni oggetto di uso domestico è collegato ad Internet e può essere quindi manipolato attraverso la rete in modo da realizzare una vera e propria “smart house”; perchè ciò si attui occorre sviluppare applicazioni semplici e alla portata di tutti. Il mio contributo comincia con la realizzazione del framework Faxa, così da fornire un supporto semplice e veloce per comporre programmi per Arduino e Android, sfruttando metodi ad alto livello. Il framework è sviluppato su due fronti: sul lato Android è composto sia da funzioni di alto livello, necessarie ad inviare ordini e messaggi all'Arduino, sia da un demone per Android; sul lato Arduino è composto dalla libreria, per inviare e ricevere messaggi. Per Arduino: sfruttando le librerie Faxa ho redatto un programma chiamato “BroadcastPin”. Questo programma invia costantemente sulla rete i dati dei sensori e controlla se ci sono ordini in ricezione. Il demone chiamato “GetItNow” è una applicazione che lavora costantemente in background. Il suo compito è memorizzare tutti i dati contenuti nei file xml inviati da Arduino. Tali dati corrispondono ai valori dei sensori connessi al dispositivo. I dati sono salvati in un database pubblico, potenzialmente accessibili a tutte le applicazioni presenti sul dispositivo mobile. Sul framework Faxa e grazie al demone “GetItNow” ho implementato “CasaDomotica”, un programma dimostrativo pensato per Android in grado di interoperare con apparecchi elettrici collegati ad un Arduino Ethernet, impiegando un’interfaccia video semplice e veloce. L’utente gestisce l’interfaccia per mezzo di parole chiave, a scelta comandi vocali o digitali, e con essa può accendere e spegnere luci, regolare ventilatori, attuare la rilevazione di temperatura e luminosità degli ambienti o quanto altro sia necessario. Il tutto semplicemente connettendo gli apparecchi all’Arduino e adattando il dispositivo mobile con pochi passi a comunicare con gli elettrodomestici.