Efficient Data Management with Applications to IoT

The Internet of Things (IoT) consists of a worldwide “network of networks,” composed by billions of interconnected heterogeneous devices denoted as things or “Smart Objects” (SOs). Significant research efforts have been dedicated to port the experience gained in the design of the Internet to the IoT, with the goal of maximizing interoperability, using the Internet Protocol (IP) and designing specific protocols like the Constrained Application Protocol (CoAP), which have been widely accepted as drivers for the effective evolution of the IoT. This first wave of standardization can be considered successfully concluded and we can assume that communication with and between SOs is no longer an issue. At this time, to favor the widespread adoption of the IoT, it is crucial to provide mechanisms that facilitate IoT data management and the development of services enabling a real interaction with things. Several reference IoT scenarios have real-time or predictable latency requirements, dealing with billions of device collecting and sending an enormous quantity of data. These features create a new need for architectures specifically designed to handle this scenario, hear denoted as “Big Stream”. In this thesis a new Big Stream Listener-based Graph architecture is proposed. Another important step, is to build more applications around the Web model, bringing about the Web of Things (WoT). As several IoT testbeds have been focused on evaluating lower-layer communication aspects, this thesis proposes a new WoT Testbed aiming at allowing developers to work with a high level of abstraction, without worrying about low-level details. Finally, an innovative SOs-driven User Interface (UI) generation paradigm for mobile applications in heterogeneous IoT networks is proposed, to simplify interactions between users and things.

Progettazione ed analisi di algoritmi di mobilità controllata per reti mesh aeree con vincoli di copertura e persistenza

In questo lavoro di tesi verrà presentata l’implementazione di due algoritmi di Deployment e gestione di uno sciame di dispositivi UAV (Unmanned Aerial Vehicles). L’interesse scientifico su cui si fonda quest'analisi ha origine nelle enormi potenzialità degli UAV che garantiscono un'esplorazione aerea di aree pericolose in contesti di emergenze quali ad esempio scenari post catastrofe. La problematica principale affrontata sarà quella della gestione continuativa dell'area disastrata fornendo un algoritmo di schedulazione della cooperazione degli UAV alternando periodi attivi con quelli di ricarica dei dispositivi.

Un'applicazione VoIP per Symbian: un'interfaccia utente

Nel campo della tecnologia, l’ultimo decennio è stato caratterizzato da significativi sviluppi nel mondo dei dispositivi mobili. Si è passati dal tradizionale telefono cellulare, ai più recenti palmari e Smartphone che integrano al tradizionale stereotipo di telefono cellulare, funzionalità avanzate su hardware molto sofisticato. Con un moderno dispositivo mobile infatti, è possibile collegarsi ad Internet, leggere mail, guardare video, scaricare applicazioni e installarle per poterne così fruire. L’International Telecommunications Union (ITU-T) ha stimato che alla fine del 2010 il numero di utenti Internet a livello mondiale ha raggiunto i 2 mi- liardi e che gli accessi alla rete cellulare hanno raggiunto circa 5,3 miliardi di sottoscrizioni. Se si considera inoltre che le reti 2G verranno sostituite da quelle 3G (che consente una connessione alla rete a banda larga tramite dispositivi cellulari), è inevitabile che nel prossimo futuro, gli utilizzatori di Internet tramite rete mobile potranno arrivare ad essere anche qualche miliardo. Le applicazioni disponibili in rete sono spesso scritte in linguaggio Java che su dispositivi embedded, dove è cruciale il consumo di energia, mettono in crisi la durata della batteria del dispositivo. Altre applicazioni scritte in linguaggi meno dispendiosi in termini di consumi energetici, hanno un’interfaccia scarna, a volte addirittura ridotta a semplice terminale testuale, che non è indicata per utenti poco esperti. Infine altre applicazioni sono state eseguite solo su simulatori o emulatori, perciò non forniscono riscontri su dispositivi reali. In questa tesi verrà mostrato come su un dispositivo mobile sia possibile utilizzare, tramite un’interfaccia “user-friendly”, una tecnologia già esistente e diffusa come il VoIP in maniera tale che qualunque tipologia di utente possa utilizzarla senza conoscerne i dettagli tecnici. Tale applicazione, dovendo utilizzare una connessione dati, sfrutterà o una connessione a una rete WLAN o una connessione a una rete cellulare (GPRS, UMTS e HSDPA ad esempio) a seconda della dotazione hardware dell’apparecchio mobile e della locazione dello stesso in una rete accessibile dall’utente.

Simulazioni di named data networking per reti veicolari

Le reti veicolari, anche dette VANET, sono da tempo oggetto di studio. Durante il periodo di ricerca svolto presso l'Università della California Los Angeles (UCLA) è stato possibile studiare i protocolli adatti allo scambio di contenuti fra i veicoli secondo il paradigma del Named Data Networking (NDN). Il Named Data Networking rappresenta un nuovo modello di comunicazione per il reperimento dei contenuti all'interno della rete. Nelle VANET ogni veicolo è potenzialmente un fornitore di contenuti, oltre che un richiedente. L'infrastruttura di riferimento posta all'interno del campus universitario permette il reperimento di dati necessario allo studio del problema, non solo da un punto di vista pratico ma anche da un punto di vista teorico. Infatti, data la tipologia dei test e le difficoltà intrinseche che essi comportano, l'attività di simulazione svolge un ruolo importante per lo sviluppo e lo studio del protocollo all'interno delle reti veicolari. L'attività di ricerca svolta si articola nei seguenti aspetti: introduzione al nuovo paradigma di comunicazione: principi del Named Data Networking, funzionamento di NDN, reti veicolari, applicabilità di NDN alle VANET; modelli di mobilità per le reti veicolari: linee guida per la costruzione di un modello di mobilità, situazione attuale dei modelli disponibili, simulatori di rete, strumenti utilizzati e il loro funzionamento; attività di simulazione: pianificazione e implementazione di diverse tipologie di scenari di reti veicolari; analisi dei dati raccolti dalla fase precedente: vengono elaborati i dati raccolti e si cerca di catturarne gli aspetti più significativi. L'obiettivo è quello di condurre uno studio di fattibilità sull'applicazione di NDN alle reti mobili, in particolare alle reti veicolari in ambito urbano. Al momento in cui è iniziata la collaborazione con il gruppo di ricerca del Network Research Lab di UCLA, era da poco stata rilasciata la prima versione di NDN contenente l'estensione pensata per il veicolare, quindi non erano presenti in letteratura studi condotti per questo tipo di scenari. Lo scopo è quello di estrarre informazioni e ricavarne significative indicazioni sulle prestazioni del sistema.

Reti telematiche e servizi di rete

Per rispondere ai quiz e utilizzare la posta elettronica

Strategie di elaborazione di tracciati GPS per reti veicolari

Il proliferare di dispositivi di elaborazione e comunicazione mobili (telefoni cellulari, computer portatili, PDA, wearable devices, personal digital assistant) sta guidando un cambiamento rivoluzionario nella nostra società dell'informazione. Si sta migrando dall'era dei Personal Computer all'era dell'Ubiquitous Computing, in cui un utente utilizza, parallelamente, svariati dispositivi elettronici attraverso cui può accedere a tutte le informazioni, ovunque e quantunque queste gli si rivelino necessarie. In questo scenario, anche le mappe digitali stanno diventando sempre più parte delle nostre attività quotidiane; esse trasmettono informazioni vitali per una pletora di applicazioni che acquistano maggior valore grazie alla localizzazione, come Yelp, Flickr, Facebook, Google Maps o semplicemente le ricerche web geo-localizzate. Gli utenti di PDA e Smartphone dipendono sempre più dai GPS e dai Location Based Services (LBS) per la navigazione, sia automobilistica che a piedi. Gli stessi servizi di mappe stanno inoltre evolvendo la loro natura da uni-direzionale a bi-direzionale; la topologia stradale è arricchita da informazioni dinamiche, come traffico in tempo reale e contenuti creati dagli utenti. Le mappe digitali aggiornabili dinamicamente sono sul punto di diventare un saldo trampolino di lancio per i sistemi mobili ad alta dinamicità ed interattività, che poggiando su poche informazioni fornite dagli utenti, porteranno una moltitudine di applicazioni innovative ad un'enorme base di consumatori. I futuri sistemi di navigazione per esempio, potranno utilizzare informazioni estese su semafori, presenza di stop ed informazioni sul traffico per effettuare una ottimizzazione del percorso che valuti simultaneamente fattori come l'impronta al carbonio rilasciata, il tempo di viaggio effettivamente necessario e l'impatto della scelta sul traffico locale. In questo progetto si mostra come i dati GPS raccolti da dispositivi fissi e mobili possano essere usati per estendere le mappe digitali con la locazione dei segnali di stop, dei semafori e delle relative temporizzazioni. Queste informazioni sono infatti oggi rare e locali ad ogni singola municipalità, il che ne rende praticamente impossibile il pieno reperimento. Si presenta quindi un algoritmo che estrae utili informazioni topologiche da agglomerati di tracciati gps, mostrando inoltre che anche un esiguo numero di veicoli equipaggiati con la strumentazione necessaria sono sufficienti per abilitare l'estensione delle mappe digitali con nuovi attributi. Infine, si mostrerà come l'algoritmo sia in grado di lavorare anche con dati mancanti, ottenendo ottimi risultati e mostrandosi flessibile ed adatto all'integrazione in sistemi reali.

Analisi della domanda di sosta veicolare e delle relative ripercussioni sulla mobilità urbana

Questa si ripropone in prima istanza di analizzare le origini e l’evoluzione del concetto di sostenibilità e successivamente di prendere in considerazione uno dei tanti mezzi che consentono di perseguirla: la gestione della sosta. Per molti anni infatti, a partire dal momento in cui sono iniziate ad emergere le esternalità negative legate al traffico, si è pensato che quello dei parcheggi fosse solo un ulteriore problema. Solo di recente, dalla fine degli anni ’90, fatta eccezione per il caso della Gran Bretagna che ha fatto da capofila già a partire dagli anni ’80, si è iniziato a considerare la sosta come parte della soluzione dei problemi di congestione, inquinamento e di vivibilità delle città. Verrà analizzata perciò nel secondo capitolo l’evoluzione delle politiche della sosta a livello europeo, con particolare attenzione all’operato svolto dall’EPA (European Parking Association) associazione leader nel settore riconosciuta dall’Unione Europea e sostenuta da 18 Paesi membri tra cui anche l’Italia. Il lavoro svolto da quest’associazione, nata nei primi anni ’80, è quello di decidere insieme agli associati delle linee comuni da seguire per migliorare le politiche a livello europeo riguardo la gestione della sosta. Si tratta nella pratica di studi, convegni e analisi degli effetti prodotti da provvedimenti intrapresi nelle varie città che hanno iniziato ad introdurre la regolamentazione della sosta. Sempre nel secondo capitolo saranno quindi presentate le linee guida europee nell’ambito dei parcheggi e si analizzeranno casi di “Best Practices” di alcuni Paesi che hanno introdotto provvedimenti per la gestione della sosta. Nel terzo capitolo invece viene considerata la situazione in Italia parlando in principio di Aipark, l’associazione italiana operatori nel settore dei parcheggi che partecipa alle attività dell’Epa e prendendo in esame in seguito le politiche adottate a livello nazionale e nello specifico in alcune tra le più importanti città italiane. Si vedrà come sia ancora troppo marcata la distanza del nostro Paese dai progressi registrati in altri Paesi dell’UE, con le dovute eccezioni. Per quel che riguarda l’aspetto normativo è significativo il fatto che, nonostante il riconoscimento della forte influenza che le politiche della sosta hanno sulla regolazione del traffico, ci siano ancora molte lacune legislative e che spesso la sosta non compaia tra i soggetti delle leggi in tale settore. La legislazione italiana nell’ambito dei parcheggi verrà analizzata nel quarto capitolo. Successivamente, nei capitoli 5 e 6 si parlerà delle fasi preliminari della redazione del Piano della Sosta di Casalecchio di Reno. Il Piano della Sosta è uno dei Piani Particolareggiati che costituiscono il 2° livello di progettazione del PUT (Piano Urbano del Traffico) e rappresenta uno strumento di pianificazione utile ad analizzare lo stato di fatto del sistema dei parcheggi di una città in modo da coglierne le criticità e fornire eventualmente le soluzioni per ovviare ad esse. Nel quinto capitolo viene effettuato un inquadramento territoriale di Casalecchio e si parlerà delle problematiche della sosta emerse nel PGTU (Piano Generale del Traffico Urbano) che costituisce il progetto preliminare o Piano Quadro del PUT. Le fasi attraverso le quali viene elaborato un Piano della sosta si possono sintetizzare nei seguenti punti: - Studio della normativa nazionale e locale e di esempi significativi di altre realtà nell’ambito della sosta. - Analisi dello stato di fatto in termini di domanda e offerta. - Indagini mediante incontri pubblici, distribuzione di questionari o interviste dirette, per cogliere le esigenze degli utenti che usufruiscono del servizio. - Analisi delle eventuali criticità emerse. - Progettazione del nuovo assetto della sosta. - Campagna di sensibilizzazione per fare “accettare” con più facilità i cambiamenti agli utenti. Nel sesto capitolo di questa tesi, e negli allegati si possono consultare i risultati delle indagini su domanda e offerta condotte da TPS (Transport Planning Service), azienda che svolge attività di pianificazione e progettazione, di fornitura software, oltre che indagini e rilievi nell’ambito dei trasporti. Verranno descritte le modalità di rilievo e verranno presentati i risultati ottenuti dall’elaborazione dei dati raccolti, con qualche accenno alle possibili soluzioni per risolvere le problematiche emerse. La fase di progettazione vera e propria degli interventi non verrà invece trattata in questa sede.

Progetto di reti Sensori Wireless e tecniche di Fusione Sensoriale

Ambient Intelligence (AmI) envisions a world where smart, electronic environments are aware and responsive to their context. People moving into these settings engage many computational devices and systems simultaneously even if they are not aware of their presence. AmI stems from the convergence of three key technologies: ubiquitous computing, ubiquitous communication and natural interfaces. The dependence on a large amount of fixed and mobile sensors embedded into the environment makes of Wireless Sensor Networks one of the most relevant enabling technologies for AmI. WSN are complex systems made up of a number of sensor nodes, simple devices that typically embed a low power computational unit (microcontrollers, FPGAs etc.), a wireless communication unit, one or more sensors and a some form of energy supply (either batteries or energy scavenger modules). Low-cost, low-computational power, low energy consumption and small size are characteristics that must be taken into consideration when designing and dealing with WSNs. In order to handle the large amount of data generated by a WSN several multi sensor data fusion techniques have been developed. The aim of multisensor data fusion is to combine data to achieve better accuracy and inferences than could be achieved by the use of a single sensor alone. In this dissertation we present our results in building several AmI applications suitable for a WSN implementation. The work can be divided into two main areas: Multimodal Surveillance and Activity Recognition. Novel techniques to handle data from a network of low-cost, low-power Pyroelectric InfraRed (PIR) sensors are presented. Such techniques allow the detection of the number of people moving in the environment, their direction of movement and their position. We discuss how a mesh of PIR sensors can be integrated with a video surveillance system to increase its performance in people tracking. Furthermore we embed a PIR sensor within the design of a Wireless Video Sensor Node (WVSN) to extend its lifetime. Activity recognition is a fundamental block in natural interfaces. A challenging objective is to design an activity recognition system that is able to exploit a redundant but unreliable WSN. We present our activity in building a novel activity recognition architecture for such a dynamic system. The architecture has a hierarchical structure where simple nodes performs gesture classification and a high level meta classifiers fuses a changing number of classifier outputs. We demonstrate the benefit of such architecture in terms of increased recognition performance, and fault and noise robustness. Furthermore we show how we can extend network lifetime by performing a performance-power trade-off. Smart objects can enhance user experience within smart environments. We present our work in extending the capabilities of the Smart Micrel Cube (SMCube), a smart object used as tangible interface within a tangible computing framework, through the development of a gesture recognition algorithm suitable for this limited computational power device. Finally the development of activity recognition techniques can greatly benefit from the availability of shared dataset. We report our experience in building a dataset for activity recognition. Such dataset is freely available to the scientific community for research purposes and can be used as a testbench for developing, testing and comparing different activity recognition techniques.

Una rassegna di protocolli di routing per reti radio cognitive ad hoc

Questa tesi si propone di presentare e classificare per caratteristiche simili i protocolli di routing che ad oggi sono utilizzati nelle Cognitive Radio Ad Hoc Networks. Pertanto dapprima nel Capitolo 1 si introdurranno le radio cognitive con i concetti che sono alla base di questa tecnologia e le principali motivazioni che hanno portato alla loro nascita e poi al loro sviluppo. Nel Capitolo 2 si parlerà delle cognitive networks o meglio delle cognitive radio networks, e delle loro peculiarità. Nel terzo e nel quarto capitolo si affronteranno le CRAHNs e in particolare quali sono le sfide a cui devono far fronte i protocolli di routing che operano su di essa, partendo dall'esaminare quali sono le differenze che distinguono questa tipologia di rete da una classica rete wireless ad hoc con nodi in grado di muoversi nello spazio (una MANET). Infine nell'ultimo capitolo si cercherà di classificare i protocolli in base ad alcune loro caratteristiche, vedendo poi più nel dettaglio alcuni tra i protocolli più usati.