Applicazioni di tecnologie IoT e wearable alla domotica: un caso di studio

Oggigiorno milioni di persone fanno uso di Internet per gli utilizzi più disparati: dalla ricerca di informazioni sul Web al gioco online; dall'invio e ricezione di email all'uso di applicazioni social e tante altre attività. Mentre milioni di dispositivi ci offrono queste possibilità, un grande passo in avanti sta avvenendo in relazione all'uso di Internet come una piattaforma globale che permetta a oggetti di tutti i giorni di coordinarsi e comunicare tra di loro. È in quest'ottica che nasce Internet of Things, l'Internet delle cose, dove un piccolo oggetto come un braccialetto può avere un grande impatto nel campo medico per il monitoraggio da remoto di parametri vitali o per la localizzazione di pazienti e personale e l'effettuazione di diagnosi da remoto; dove un semplice sensore ad infrarosso può allertarci a distanza di una presenza non autorizzata all'interno della nostra abitazione; dove un'autovettura è in grado di leggere i dati dai sensori distribuiti sulla strada. Questa tesi vuole ripercorrere gli aspetti fondamentali di Internet of Things, dai sistemi embedded fino alla loro applicazione nella vita odierna, illustrando infine un progetto che mostra come alcune tecnologie IoT e wearable possano integrarsi nella domotica, come per esempio l'utilizzo di uno smartwatch, come Apple Watch, per il controllo dell'abitazione.

Piattaforme per Internet of Things: Windows IoT Core come caso di studio

Questa tesi si pone l'obiettivo di esplorare alcuni aspetti di uno dei settori più in crescita in questi anni (e nei prossimi) in ambito informatico: \textbf{Internet of Things}, con un occhio rivolto in particolar modo a quelle che sono le piattaforme di sviluppo disponibili in questo ambito. Con queste premesse, si coglie l'occasione per addentrarsi nella scoperta della piattaforma realizzata e rilasciata da pochi mesi da uno dei colossi del mercato IT: Microsoft. Nel primo capitolo verrà trattato Internet of Things in ambito generale, attraverso una panoramica iniziale seguita da un'analisi approfondita dei principali protocolli sviluppati per questa tecnologia. Nel secondo capitolo verranno elencate una serie di piattaforme open source disponibili ad oggi per lo sviluppo di sistemi IoT. Dal terzo capitolo verrà incentrata l'attenzione sulle tecnologie Microsoft, in particolare prima si tratterà Windows 10 in generale, comprendendo \emph{UWP Applications}. Di seguito, nel medesimo capitolo, sarà focalizzata l'attenzione su Windows IoT Core, esplorandolo dettagliatamente (Windows Remote Arduino, Modalità Headed/Headless, etc.). Il capitolo a seguire concernerà la parte progettuale della tesi, comprendendo lo sviluppo del progetto \textbf{Smart Parking} in tutte le sue fasi (dei Requisiti fino ad Implementazione e Testing). Nel quinto (ed ultimo) capitolo, saranno esposte le conclusioni relative a Windows IoT Core e i suoi vantaggi/svantaggi.

IoT e progettazione di sistemi di Home Automation: un caso di studio reale basato su framework e standard open

La nascita della Internet of Things, come conseguenza dell'aumento della capacità di calcolo e adozione di connettività in nuovi dispositivi, ha permesso l'apporto di nuove tecnologie negli oggetti di uso quotidiano e ha cambiano il modo in cui le persone utilizzano e interagiscono con questi oggetti. La Home Automation, da sempre orientata al controllo locale e remoto di apparecchiature domestiche, non ha mai raggiunto una grande diffusione per colpa del costo elevato, una controproducente chiusura rispetto ad altri sistemi e una certa difficoltà nella sua programmazione da parte dei possibili utenti. Le possibilità offerte dalla IoT e i limiti della Home Automation hanno suggerito lo sviluppo di un sistema in grado si superare queste limitazioni sfruttando le tecnologie più adatte a integrare Smart Object e sistemi, gli uni con gli altri, in maniera semplice e rapida. Il progetto e lo sviluppo di una soluzione reale di Home Automation basata su un impianto domotico commerciale ha permesso di dimostrare come strumenti opensource e tecnologie orientate alla IoT consentano, se opportunamente integrate, di migliorare sia la fruibilità dei sistemi domotici, attraverso la maggiore apertura verso altri sistemi, sia l'interazione con l'utente che sarà in grado di creare in modo semplice e diretto scenari di utilizzo sempre nuovi.

Gestione Efficiente di Eventi Complessi su Piattaforma IoT ThingWorx

Nella prima parte di questa tesi viene introdotto il concetto di Internet of Things. Vengono discussi gli elementi costituitivi fondamentali di tale tecnologia, le differenti architetture proposte nel corso degli anni e le sfide che devono ancora essere affrontate per vedere realizzato l’IoT. Questa prima parte si conclude inoltre con due esempi di applicazione dell’IoT. Questi due esempi, Smart City e Smart Healthcare, hanno l’obbiettivo di evidenziare quali sono i vantaggi ed i servizi che possono essere offerti all’utente finale una volta applicato l’IoT. Nel secondo capitolo invece, vengono presentate le funzionalità della piattaforma IoT ThingWorx, la quale mette a disposizione un ambiente di sviluppo per applicazioni IoT con l’obbiettivo di ridurre i tempi e quindi anche i costi di sviluppo delle stesse. Questa piattaforma cerca di ridurre al minimo la necessità di scrivere codice, utilizzando un sistema di sviluppo di tipo “Drag and Drop”. ThingWorx mette anche a disposizione degli SDK per facilitare la programmazione dei device, gestendo soprattutto la parte di comunicazione nodo – piattaforma. Questo argomento viene trattato ampiamente nella parte finale di questo capitolo dopo aver visto quali sono i concetti fondamentali di modellazione e rappresentazione dei dati sui quali si basa la piattaforma. Nel terzo e ultimo capitolo di questa tesi viene presentato innanzitutto il tutorial Android di ThingWorx. Svolgere e successivamente estendere il tutorial ha evidenziato alcune limitazioni del modello iniziale e questo ci ha portato a progettare e sviluppare il componente Aggregated & Complex Event Manager per la gestione di eventi complessi e che permette di sgravare parzialmente la piattaforma da tale compito. La tesi si conclude evidenziando, tramite dei test, alcune differenze fra la situazione iniziale nella quale il componente non viene utilizzato e la situazione finale, nella quale invece viene usato.

Servizi di Discovery in IoT: una Soluzione MQTT-based per Gateway Kura

Grazie alla costante evoluzione tecnologica, negli ultimi anni sempre più oggetti di vita quotidiana stanno accedendo ad Internet. Il proliferare dei dispositivi “smart” ha dato il via ad una nuova rivoluzione tecnologica: quella di Internet of Things (IoT), che sta portando nelle mani degli utenti un elevatissimo numero di informazioni in grado di offrire notevoli benefici alla vita di ogni giorno. Per poter accedere ai dati messi a disposizione risulterà necessario realizzare un servizio in grado di consentire la scoperta, l’accesso e l’interazione con i nodi della rete che si occuperanno della gestione delle informazioni. In letteratura sono già disponibili alcuni di questi meccanismi, ma essi presentano dei difetti che verrebbero ancor più accentuati dalle ridotte capacità computazionali dei terminali IoT. In questo progetto di tesi verrà presentato un servizio di discovery per gateway IoT Kura-based, pensato, grazie all’utilizzo del protocollo di messaggistica MQTT, per operare con terminali dalle performance limitate ed in situazioni di scarsa connettività. Il servizio realizzato prevede che degli smartphone Android richiedano a tutti i gateway in una determinata località i parametri per entrare nel loro network. La richiesta verrà inviata mediante un messaggio MQTT pubblicato in un topic location-specific su un broker remoto. I gateway che riceveranno il messaggio, se interessati alle caratteristiche del client, gli risponderanno comunicando i dati di accesso al network in modo che il dispositivo possa auto-configurarsi per accedervi. Ad accesso avvenuto client e gateway comunicheranno in modo diretto attraverso un broker locale. In fase di testing si valuteranno le performance del servizio analizzando i tempi di risposta e l’utilizzo di risorse lato gateway, e l’assorbimento di potenza lato client.

WINDOWS 10 IoT SU RASPBERRY PI 2: MULTI-PARADIGM PROGRAMMING TRA JAVA E C#

Questa tesi ha come obiettivo la sperimentazione del nuovo sistema operativo Windows 10 IoT Core su tecnologia Raspberry Pi 2, verificandone la compatibilita con alcuni sensori in commercio. Tale studio viene poi applicato in un contesto di Home Intelligence al fine di creare un agente per la gestione di luci LED, in prospettiva della sua integrazione nel sistema prototipale Home Manager.

Computazione Embodied e Disembodied: Cloud-based IoT

La tesi esplora la co-esistenza di computazioni embodied e disembodied nei moderni sistemi software, adottando come caso di studio il recente trend che vede sempre più coesi e integrati sistemi per l'Internet of Things e sistemi Cloud-based. Si analizzano i principali modelli di comunicazione, protocolli di comunicazione e architetture situate. Inoltre si realizza una piattaforma IoT Middleware cloud-based per mostrare come la computazione possa essere distribuita lato embodied e disembodied.

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.

Implementazione di un protocollo Header-compression a livello applicazione per scenari IoT

Il fenomeno noto come Internet of Things costituisce oggi il motore principale dell'espansione della rete Internet globale, essendo artefice del collegamento di miliardi di nuovi dispositivi. A causa delle limitate capacità energetiche e di elaborazione di questi dispositivi è necessario riprogettare molti dei protocolli Internet standard. Un esempio lampante è costituito dalla definizione del Constrained Application Protocol (CoAP), protocollo di comunicazione client-server pensato per sostituire HTTP in reti IoT. Per consentire la compatibilità tra reti IoT e rete Internet sono state definite delle linee guida per la mappatura di messaggi CoAP in messaggi HTTP e viceversa, consentendo così l'implementazione di proxies in grado di connettere una rete IoT ad Internet. Tuttavia, questa mappatura è circoscritta ai soli campi e messaggi che permettono di implementare un'architettura REST, rendendo dunque impossibile l'uso di protocolli di livello applicazione basati su HTTP.La soluzione proposta consiste nella definizione di un protocollo di compressione adattiva dei messaggi HTTP, in modo che soluzioni valide fuori dagli scenari IoT, come ad esempio scambio di messaggi generici, possano essere implementate anche in reti IoT. I risultati ottenuti mostrano inoltre che nello scenario di riferimento la compressione adattiva di messaggi HTTP raggiunge prestazioni inferiori rispetto ad altri algoritmi di compressione di intestazioni (in particolare HPACK), ma più che valide perchè le uniche applicabili attualmente in scenari IoT.

A novel approach to Non-Orthogonal Random Access with application to NB-IoT NTN systems

In the Massive IoT vision, millions of devices need to be connected to the Internet through a wireless access technology. However, current IoT-focused standards are not fully prepared for this future. In this thesis, a novel approach to Non-Orthogonal techniques for Random Access, which is the main bottleneck in high density systems, is proposed. First, the most popular wireless access standards are presented, with a focus on Narrowband-IoT. Then, the Random Access procedure as implemented in NB-IoT is analyzed. The Non-Orthogonal Random Access technique is presented next, along with two potential algorithms for the detection of non-orthogonal preambles. Finally, the performance of the proposed solutions are obtained through numerical simulations.

Analisi e simulazione di protocolli di accesso multiplo per reti IoT 6G cell-free

Lo scopo delle reti mobili è fornire ai dispositivi wireless accesso a una grande varietà di servizi dati, in un’ampia area geografica. Nonostante le reti cellulari odierne, basate sulla tecnologia Massive MIMO, possano raggiungere elevate performance in condizioni favorevoli (centro cella) esse, presentano all’interno dell’area di copertura, zone soggette a data-rate notevolmente ridotti. In questo elaborato, viene brevemente descritta la rete cell-free; una nuova architettura di rete pensata per superare i vecchi limiti delle reti cellulari tradizionali. Successivamente, vengono presentati attraverso simulazioni i due principali vantaggi che queste nuove reti cell-free offrono. Inoltre, viene analizzato uno schema random access in grado di gestire l’accesso multiplo per queste nuove architetture di rete. Questo schema rappresenta un’estensione di un protocollo già presente in letteratura e perfettamente funzionante per reti Massive MIMO, appartenente alla famiglia dei protocolli Coded Slotted ALOHA. Infine, un'analisi delle prestazioni e alcuni possibili scenari sono stati presentati, con lo scopo di valutare l'effetto che algoritmi di tipo SIC possono avere su queste reti.

AlmaBike: una piattaforma web per aggregare e visualizzare dati sull'inquinamento da sensori IoT

L'inquinamento è un pensiero costante nel ventunesimo secolo. Ogni anno, i ricercatori cercano di trovare nuove metodologie e tecnologie per controllarlo e ridurlo. Per questo motivo l’Università di Bologna ha avviato svariati progetti per contrastare le problematiche ambientali. Una delle iniziative è AlmaBike. Sono biciclette che vengono assegnate nella forma di comodato gratuito al personale universitario e agli studenti. Nell'ultimo periodo, 50 AlmaBike sono state dotate di un pacchetto sensori in grado di rilevare posizione GPS, la qualità dell’aria, il rumore e alcuni parametri ambientali. Gli obiettivi perseguiti sono: sperimentare un sistema che permetta la misurazione di dati in merito alla qualità ambientale del comune di Bologna e misurare la rilevanza della consapevolezza della qualità dell’aria nella scelta di percorsi da parte di un utente, ad esempio casa-lavoro. L’obiettivo di questa tesi è quello di creare un applicativo che permetta la fruizione dei dati raccolti dai vari sensori attraverso l’uso di tecniche di Data Visualization. I dati vengono elaborati e organizzati con lo scopo di permetterne la comprensione anche ad utenti inesperti. La tesi è suddivisa in tre capitoli: nel primo capitolo sono stati approfonditi i concetti inerenti alla sostenibilità riprendendo quanto detto a proposito degli obiettivi dell'Agenda 2030, facendo anche una breve introduzione sul concetto di IoT e sensori; nel secondo capitolo vengono presentate le tecnologie utilizzate per la realizzazione dell’applicativo tra cui: Docker, MySQL, Angular, Typescript, Golang; nel terzo capitolo viene mostrata nel dettaglio l'applicazione creata: dalle scelte progettuali, fino ad arrivare al risultato finale.

Grant-Free Access for Massive IoT Based on Interference Cancellation and Massive MIMO

Recent years have witnessed an increasing evolution of wireless mobile networks, with an intensive research work aimed at developing new efficient techniques for the future 6G standards. In the framework of massive machine-type communication (mMTC), emerging Internet of Things (IoT) applications, in which sensor nodes and smart devices transmit unpredictably and sporadically short data packets without coordination, are gaining an increasing interest. In this work, new medium access control (MAC) protocols for massive IoT, capable of supporting a non-instantaneous feedback from the receiver, are studied. These schemes guarantee an high time for the acknowledgment (ACK) messages to the base station (BS), without a significant performance loss. Then, an error floor analysis of the considered protocols is performed in order to obtain useful guidelines for the system design. Furthermore, non-orthogonal multiple access (NOMA) coded random access (CRA) schemes based on power domain are here developed. The introduction of power diversity permits to solve more packet collision at the physical (PHY) layer, with an important reduction of the packet loss rate (PLR) in comparison to the number of active users in the system. The proposed solutions aim to improve the actual grant-free protocols, respecting the stringent constraints of scalability, reliability and latency requested by 6G networks.

Sperimentazione della piattaforma IoT Cloud per lo sviluppo di sistemi di monitoraggio

L’Internet of Things (IoT) è un termine utilizzato nel mondo della telecomunicazione che fa riferimento all’estensione di Internet al mondo degli oggetti, che acquisiscono una propria identità, venendo così definiti “intelligenti”. L’uomo in questo ambito avrà sempre meno incidenza sul campo poiché sono le macchine ad interagire tra loro scambiandosi informazioni. Gli ambiti applicativi che comprendono IoT sono innumerevoli ed eterogenei; pertanto, non esiste un'unica soluzione tecnologica che possa coprire qualsiasi scenario. Una delle tecnologie che si prestano bene a svolgere lavori in IoT sono le LoRaWAN. Un punto e una sfida essenziali nell'applicazione della tecnologia LoRaWAN è garantire la massima autonomia dei dispositivi ottenendo il più basso consumo di energia possibile e la ricerca di soluzioni di alimentazione efficienti. L'obiettivo in questo elaborato è quello di realizzare un sistema capace di trasmettere un flusso continuo di informazioni senza l'ausilio e il costante monitoraggio dell'uomo. Viene trattato come controllare dei sensori da remoto e come garantire una migliore autonomia dei dispositivi ottenendo un più basso consumo energetico.

Neural Network based Non Orthogonal Random Access for 6G NTN-IoT

Pervasive and distributed Internet of Things (IoT) devices demand ubiquitous coverage beyond No-man’s land. To satisfy plethora of IoT devices with resilient connectivity, Non-Terrestrial Networks (NTN) will be pivotal to assist and complement terrestrial systems. In a massiveMTC scenario over NTN, characterized by sporadic uplink data reports, all the terminals within a satellite beam shall be served during the short visibility window of the flying platform, thus generating congestion due to simultaneous access attempts of IoT devices on the same radio resource. The more terminals collide, the more average-time it takes to complete an access which is due to the decreased number of successful attempts caused by Back-off commands of legacy methods. A possible countermeasure is represented by Non-Orthogonal Multiple Access scheme, which requires the knowledge of the number of superimposed NPRACH preambles. This work addresses this problem by proposing a Neural Network (NN) algorithm to cope with the uncoordinated random access performed by a prodigious number of Narrowband-IoT devices. Our proposed method classifies the number of colliding users, and for each estimates the Time of Arrival (ToA). The performance assessment, under Line of Sight (LoS) and Non-LoS conditions in sub-urban environments with two different satellite configurations, shows significant benefits of the proposed NN algorithm with respect to traditional methods for the ToA estimation.