Progetto e sviluppo di un middleware per l’interfacciamento di sensori per la domotica in ambiente Java

La diffusione di soluzioni domotiche dipende da tecnologie abilitanti che supportino la comunicazione tra i numerosi agenti delle reti. L’obiettivo della tesi è progettare e realizzare un middleware per sensori distribuiti Java-based chiamato SensorNetwork, che permetta ad un agente domotico di effettuare sensing sull’ambiente. Le funzionalità principali del sistema sono uniformità di accesso a sensori eterogenei distribuiti, alto livello di automazione (autoconfigurazione e autodiscovery dei nodi), configurazione a deployment time, modularità, semplicità di utilizzo ed estensione con nuovi sensori. Il sistema realizzato è basato su un’architettura a componente-container che permette l’utilizzo di sensori all’interno di stazioni di sensori e che supporti l’accesso remoto per mezzo di un servizio di naming definito ad-hoc.

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.

Architectures for Context Aware Services in Smart Environments

This thesis deals with Context Aware Services, Smart Environments, Context Management and solutions for Devices and Service Interoperability. Multi-vendor devices offer an increasing number of services and end-user applications that base their value on the ability to exploit the information originating from the surrounding environment by means of an increasing number of embedded sensors, e.g. GPS, compass, RFID readers, cameras and so on. However, usually such devices are not able to exchange information because of the lack of a shared data storage and common information exchange methods. A large number of standards and domain specific building blocks are available and are heavily used in today's products. However, the use of these solutions based on ready-to-use modules is not without problems. The integration and cooperation of different kinds of modules can be daunting because of growing complexity and dependency. In this scenarios it might be interesting to have an infrastructure that makes the coexistence of multi-vendor devices easy, while enabling low cost development and smooth access to services. This sort of technologies glue should reduce both software and hardware integration costs by removing the trouble of interoperability. The result should also lead to faster and simplified design, development and, deployment of cross-domain applications. This thesis is mainly focused on SW architectures supporting context aware service providers especially on the following subjects: - user preferences service adaptation - context management - content management - information interoperability - multivendor device interoperability - communication and connectivity interoperability Experimental activities were carried out in several domains including Cultural Heritage, indoor and personal smart spaces – all of which are considered significant test-beds in Context Aware Computing. The work evolved within european and national projects: on the europen side, I carried out my research activity within EPOCH, the FP6 Network of Excellence on “Processing Open Cultural Heritage” and within SOFIA, a project of the ARTEMIS JU on embedded systems. I worked in cooperation with several international establishments, including the University of Kent, VTT (the Technical Reserarch Center of Finland) and Eurotech. On the national side I contributed to a one-to-one research contract between ARCES and Telecom Italia. The first part of the thesis is focused on problem statement and related work and addresses interoperability issues and related architecture components. The second part is focused on specific architectures and frameworks: - MobiComp: a context management framework that I used in cultural heritage applications - CAB: a context, preference and profile based application broker which I designed within EPOCH Network of Excellence - M3: "Semantic Web based" information sharing infrastructure for smart spaces designed by Nokia within the European project SOFIA - NoTa: a service and transport independent connectivity framework - OSGi: the well known Java based service support framework The final section is dedicated to the middleware, the tools and, the SW agents developed during my Doctorate time to support context-aware services in smart environments.

Towards model driven software development for Arduino platforms: a DSL and automatic code generation

La tesi ha lo scopo di esplorare la produzione di sistemi software per Embedded Systems mediante l'utilizzo di tecniche relative al mondo del Model Driven Software Development. La fase più importante dello sviluppo sarà la definizione di un Meta-Modello che caratterizza i concetti fondamentali relativi agli embedded systems. Tale modello cercherà di astrarre dalla particolare piattaforma utilizzata ed individuare quali astrazioni caratterizzano il mondo degli embedded systems in generale. Tale meta-modello sarà quindi di tipo platform-independent. Per la generazione automatica di codice è stata adottata una piattaforma di riferimento, cioè Arduino. Arduino è un sistema embedded che si sta sempre più affermando perché coniuga un buon livello di performance ed un prezzo relativamente basso. Tale piattaforma permette lo sviluppo di sistemi special purpose che utilizzano sensori ed attuatori di vario genere, facilmente connessi ai pin messi a disposizione. Il meta-modello definito è un'istanza del meta-metamodello MOF, definito formalmente dall'organizzazione OMG. Questo permette allo sviluppatore di pensare ad un sistema sotto forma di modello, istanza del meta-modello definito. Un meta-modello può essere considerato anche come la sintassi astratta di un linguaggio, quindi può essere definito da un insieme di regole EBNF. La tecnologia utilizzata per la definizione del meta-modello è stata Xtext: un framework che permette la scrittura di regole EBNF e che genera automaticamente il modello Ecore associato al meta-modello definito. Ecore è l'implementazione di EMOF in ambiente Eclipse. Xtext genera inoltre dei plugin che permettono di avere un editor guidato dalla sintassi, definita nel meta-modello. La generazione automatica di codice è stata realizzata usando il linguaggio Xtend2. Tale linguaggio permette di esplorare l'Abstract Syntax Tree generato dalla traduzione del modello in Ecore e di generare tutti i file di codice necessari. Il codice generato fornisce praticamente tutta la schematic part dell'applicazione, mentre lascia all'application designer lo sviluppo della business logic. Dopo la definizione del meta-modello di un sistema embedded, il livello di astrazione è stato spostato più in alto, andando verso la definizione della parte di meta-modello relativa all'interazione di un sistema embedded con altri sistemi. Ci si è quindi spostati verso un ottica di Sistema, inteso come insieme di sistemi concentrati che interagiscono. Tale difinizione viene fatta dal punto di vista del sistema concentrato di cui si sta definendo il modello. Nella tesi viene inoltre introdotto un caso di studio che, anche se abbastanza semplice, fornisce un esempio ed un tutorial allo sviluppo di applicazioni mediante l'uso del meta-modello. Ci permette inoltre di notare come il compito dell'application designer diventi piuttosto semplice ed immediato, sempre se basato su una buona analisi del problema. I risultati ottenuti sono stati di buona qualità ed il meta-modello viene tradotto in codice che funziona correttamente.

Analisi delle tecnologie BMP per i sistemi di drenaggio urbano

I sistemi di drenaggio urbano meritano particolare attenzione per l’importante compito che devono garantire all’interno della società. L’allontanamento delle acque reflue dalle zone urbanizzate infatti è indispensabile per non creare problemi ed interferenze con attività sociali ed economiche che in esse si svolgono; inoltre un corretto funzionamento del sistema di drenaggio assicura anche un basso impatto ambientale in termini di qualità e quantità. La disponibilità di nuove tecnologie costruttive e materiali in continua evoluzione devono fare fronte alla crescente complessità idraulica, geotecnica e urbanistica delle strutture componenti i sistemi di drenaggio; in tale elaborato si vuole porre l’accento sul problema dello smaltimento delle acque meteoriche nelle zone densamente urbanizzate, la cui soluzione è costituita dall'adozione delle cosiddette BMP (Best Management Practices). Le BMP sono definite come strategie, pratiche o metodi per la rimozione, la riduzione, il ritardo o la prevenzione della quantità di costituenti inquinanti e contaminanti delle acque di pioggia, prima che giungano nei corpi idrici ricettori. Tra esse ricordiamo le cisterne o rain barrels, i pozzi asciutti, i sistemi drywell, le vasche verdi filtranti, i tetti verdi, i canali infiltranti, i fossi di infiltrazione, i pozzi perdenti, i planting container, i canali inerbiti, i bacini di infiltrazione, le gross pullutant traps (gpts), gli stagni, i sistemi di fitodepurazione estensiva (sfe), le pavimentazioni drenanti. In Italia esse risultano ancora scarsamente studiate ed applicate, mentre trovano più ampio sviluppo in realtà estere come in Inghilterra ed in Australia. Per comprendere la efficacia di tali tecniche BMP è necessario analizzarle e, soprattutto, analizzare il loro effetto sul territorio in cui esse vengono inserite e sul regime idrogeologico dell’ambiente. Questa analisi può essere svolta con prove sperimentali su aree di controllo (soluzione economicamente gravosa) o attraverso modelli matematici tramite l’utilizzo di software di calcolo che simulino il comportamento delle portate, dei tiranti idrici e degli inquinanti nei canali e nelle strutture accessorie costituenti la rete fognaria, in conseguenza ad eventi di pioggia dei quali sia nota la distribuzione spaziale e temporale. In questo elaborato si modellizza attraverso il programma Matlab un unico elemento BMP e si osservano i suoi effetti; si procede cioè alla analisi del funzionamento di un ipotetico brown roof installato nella zona di Rimini e si osservano i benefici effetti che ne derivano in termini di volumi di pioggia trattenuti dal sistema considerando diverse tipologie di pioggia e diversi parametri progettuali per il tetto (i fori dello strato inferiore del tetto, la altezza dello strato di terreno, la sua permeabilità e la sua porosità). Si procede poi con la analisi di una ipotetica zona commerciale che sorge sulle sponde di un fiume. Tali analisi vengono svolte con il software HEC-RAS per quanto riguarda la analisi dei livelli del fiume e delle zone a rischio di inondazione. I risultati forniti da questo studio preliminare vengono poi utilizzati come condizioni al contorno per una successiva analisi effettuata con il software InfoWorks in cui si valutano i benefici che derivano dalla installazione di diverse BMP nella zona commerciale oggetto di studio. Tale modello esamina un verosimile scenario inglese, la cittadina infatti si ipotizza situata in Inghilterra e anche gli eventi pluviometrici a cui ci si riferisce sono tipici eventi di pioggia inglesi. Tutti i dati di input elaborati nelle simulazioni sono stati forniti all’interno di un progetto universitario svolto presso l’università di Bradford con la supervisione dei professori Simon Tait ed Alma Schellart. Infine la parte conclusiva dell’elaborato è stata sviluppata in collaborazione con Hera S.p.a. di Rimini all’interno di un percorso di tirocinio curriculare che ha previsto la analisi delle tecnologie BMP adatte per l’ambiente cittadino di Rimini e la osservazione delle performance garantite da tecnologie esistenti sul territorio: i parcheggi permeabili. La realtà riminese infatti deve far fronte a diversi problemi che si innescano durante i periodi di pioggia ed una mitigazione dei volumi di acqua in arrivo alla fognatura grazie a questo tipo di tecnologie, senza quindi ricorrere agli usuali sistemi puntuali, porterebbe sicuramente a notevoli vantaggi. Tali tecnologie però non devono solo essere progettate e costruite in modo corretto, ma devono essere sottoposte a periodici controlli ed adeguate operazioni di manutenzione per non perdere la loro efficacia. Per studiare tale aspetto si procede quindi alla misura della permeabilità di parcheggi drenanti presenti all’interno dei comuni di Cattolica e Rimini ricercando i fattori che influenzano tale caratteristica fondamentale dei parcheggi.

Progettazione e sviluppo di un sistema di telemonitoraggio dell'attività elettrica cardiaca basato su tecnologie Android e Arduino

L'aumento inesorabile delle morti per cause legate a patologie cardiache, dovuto soprattutto al progressivo invecchiamento della popolazione occidentale, ha portato negli ultimi anni, alla necessità di sviluppare tecniche e sistemi di “Remote Monitoring”. L'obiettivo della tesi è la progettazione e lo sviluppo di un sistema di monitoraggio remoto dell'attività elettrica cardiaca basato sull’utilizzo delle piattaforme Android e Arduino. Il valore aggiunto della soluzione proposta e sviluppata è, quindi, soprattutto da ricercarsi nella tipologia di tecnologie utilizzate per la realizzazione del sistema (Android/Arduino): oltre, alla loro continua espansione, in termini di diffusione e avanzamento tecnologico, facilmente riscontrabile, hanno tutte l’importante caratteristica di essere totalmente Open Source, rendendo, quindi, ogni elemento del sistema eventualmente espandibile da chiunque lo desideri.

TuCSoN on Android

TuCSoN (Tuple Centres Spread over the Network) è un modello di coordinazione per processi distribuiti o agenti autonomi. Il modello di TuCSoN viene implementato come un middleware distribuito Java-based, distribuito Open Source sotto la licenza LGPL tramite Googlecode. Il fatto che lo stesso sia Open Source e Java-based ha reso possibile il suo porting su Android, rendendo il noto sistema operativo di Google un possibile agente partecipante ad un sistema TuCSoN. La tesi descrive il percorso che ha portato dallo studio dell'infrastruttura TuCSoN e del sistema Android alla realizzazione dell'applicazione Android, rendendo possibile a qualsiasi dispositivo Android di partecipare ad un sistema TuCSoN. Nel particolare l'obiettivo finale dell'applicazione Android, e di questa tesi, è rendere lo smartphone un nodo TuCSoN funzionante. La tesi non si pone l'obiettivo di analizzare ed esplorare le funzionalità e le possibilitàa delle due tecnologie principali trattate (Android e TuCSoN) nel loro singolo, quanto quello di esplorare le criticità che un porting di questo tipo comporta, quali ad esempio le differenze intrinseche fra la JVM e la DalvikVM e come aggirarle, o le funzionalità di Android e come utilizzarle allo scopo di realizzare un applicazione che funga da server ad una infra- struttura distribuita, oppure le differenze a livello di gestione della GUI fra Android e plain-java, e di analizzare le soluzioni trovate per risolvere (o dove non era possibile risolvere evitare) tali problemi al fine del raggiungimento dell'obiettivo che ci si era prefissati.

Coordinazione situata: integrazione di Arduino in un middleware basato su tuple

Il concetto di situatedness applicato ad un sistema multi-agente distribuito può essere riformulato come problema di coordinazione fra i componenti del sistema e le risorse ambientali. Per poter garantire e governare la coordinazione delle parti, viene esteso il modello di coordinazione TuCSoN arricchendo il linguaggio di coordinazione e l'architettura per la comunicazione verso l'ambiente introducendo il concetto di artefatto d'ambiente. In questo elaborato viene definita l'estensione Situated ReSpecT, la nuova componente Transducer e la sua interazione con le Probe, tramite un analisi teorica che si conclude con una verifica pratica su piattaforma Arduino.

Tecnologie RFId: dal tag ai sistemi back-end

I sistemi di identificazione tramite radiofrequenza hanno acquistato negli ultimi tempi una sempre maggiore importanza per il mondo produttivo, soprattutto nel settore della movimentazione delle merci, evolvendo verso applicazioni di tracciamento sempre più avanzate. La tesi si propone di analizzare in dettaglio la tecnologia RFId, chiarendone gli aspetti fondamentali ed esponendo criticità e punti di forza.

Swarm constructability: designing through embedded tectonic behaviors in swarm robotic systems

Con questa tesi di laurea si muovono i primi passi di una ricerca applicata finalizzata alla costruzione-deposizione di materiale da parte di sciami di mini-robot dal comportamento indipendente che si coordinano tramite segnali lasciati e rilevati nell’ambiente in cui si muovono. Lo sviluppo di tecniche di progettazione e fabbricazione digitale ha prodotto un aumento nel grado di interconnessione tra tecnologia e design, dunque, di nuove possibilità tettoniche. Le relazioni tettoniche tradizionali stanno infatti subendo una trasformazione radicale, potendo essere esplicitamente informate e dunque mediate attraverso gli strumenti digitali dall’ideazione alla produzione. Questa mediazione informata del contenuto tettonico (che opera costantemente) è distintivo di un approccio material-based alla progettazione che aumenta l’integrazione tra struttura, materia e forma entro le tecnologie di fabbricazione (R.Oxman). Dei numerosi processi di fabbricazione per l’architettura che si servono di tecnologia robotica, pochi sono capaci di superare la logica gerarchica, rigida e lineare-sequenziale che serve di fatto agli obiettivi di automazione ed ottimizzazione. La distribuzione di forme di intelligenza semplificata ad un numero elevato di unità robot è quindi qui proposta come alternativa al modello appena descritto. Incorporando semplici decisioni di carattere architettonico negli agenti-robot che costituiscono il sistema distribuito di entità autonome, la loro interazione e le decisioni prese individualmente producono comportamento collettivo e l’integrazione delle suddette relazioni tettoniche. Nello sviluppo del progetto, si è fatto così riferimento a modelli comportamentali collettivi (di sciame) osservabili in specie comunitarie che organizzano strutture materiali -come termiti e vespe- ed in organismi semplici -come le muffe cellulari della specie Physarum polycephalum. Per queste specie biologiche il processo di costruzione non dipende da un ‘piano generale’ ma è guidato esclusivamente da azioni dei singoli individui che comunicano lasciando tracce chimiche nell’ambiente e modificano il loro comportamento rilevando le tracce lasciate dagli altri individui. A questo scopo, oltre alle simulazioni in digitale, è stato indispensabile sviluppare dei prototipi funzionali di tipo fisico, ovvero la realizzazione di mini-robot dal movimento indipendente, in grado di coordinarsi tra loro tramite segnali lasciati nell’ambiente e capaci di depositare materiale.

Spatial computing per dispositivi mobile ed embedded

Questa tesi si focalizza sulle possibili tecnologie per realizzare comunicazioni opportunistiche fra dispositivi mobile ed embedded, con l'obiettivo di integrarle nel contesto di sistemi a larga scala situati, e con particolare riferimento al prototipo denominato "Magic Carpet". Vengono considerate in particolare le tecnologie WiFi ad-hoc e Bluetooth Low Energy su Android e Raspberry Pi.

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.

Studio e Progettazione di Sistemi Hands-free basati su Tecnologie Wearable: Un Caso di Studio in Ambito Healthcare

Il percorso intrapreso per la scrittura della tesi, si snoda essenzialmente in due fasi e nove capitoli. La prima fase ha avuto come scopo l’analisi dal punto di vista tecnologico dell’evoluzione tecnologica avuta nel campo di realtà aumentata e dispositivi wearable in particolare orientandosi verso una tipologia di interazioni hands-free. Questo ha portato ad una ricognizione sullo stato dell’arte permettendo di attenere una base di conoscenza solida per la costruzione del sistema presentato all’interno del caso di studi. I capitoli successivi, in particolare dal quinto, introducono alla seconda fase ed hanno lo scopo di progettare e realizzare il sistema proposto, partendo da un’attenta analisi delle caratteristiche richieste passando per la prototipazione e successiva definizione delle caratteristiche atte alla valutazione del sistema stesso.