L`Internet delle cose - Dipartimento di Elettronica ed informazione

L’Internet delle cose
Prof.Cesare Alippi
Dipartimento di Elettronica e Informazione
Politecnico di Milano
Tendenza: Pervasività e “intelligenza” nei
sistemi di elaborazione dell’informazione
1960
Dimensione
Un computer per
molte persone
1980
2002
2006
Numero
Tanti computer
per una persona
2
. . . . . tempo
Sensori/attuatori
Smart objects: Tante unità
pervasive sui beni (sensori,
elaborazione, attuatori,
comunicazione)
Infomobilità e controllo remoto dei beni…
Logistica
Domotica
Analisi qualità
Deperibilità
Anticontraffazione
Tracciabilità
3
Monitoraggio personale, pubblico e
ambientale…
Prevenzione
Previsione
Gestione
emergenza
Monitoraggio
Vulnerabilità
4
L’internet delle cose
Si passa da un
mondo chiuso in cui
l’oggetto è
caratterizzato da un
descrittore ad un
mondo aperto in cui
l’oggetto interagisce
con il mondo
circostante essendo
dotato di
“intelligenza”
Tecnologie cablate
• Cavo coassiale
• Doppino telefonico
• PowerLines
La tecnologia consente il trasporto delle
informazioni sulle preesistenti linee
elettriche.
Trasmissione con banda limitata pensata per la
domotica (es. accensione e controllo dispositivi,
impianti antifurto). ENEL: telelettura contatori
Utilizza banda 9 - 148,5 KHz
Bit rate: 1kbs- 5Mbs
Problemi:
– presenza trasformatori (serve continuità
fisica per il trasporto del segnale)
– Possibili interferenze in frequenza che
disturbino il segnale con i dati.
Tecnologie wireless
• Rfid attivi
• •Rfid
passivi
• Bluetooth
Telefoni
• Wi-Max
• Zigbee
Wi-Max
satellitari
• •Bluetooth
• Cellulari
• Wi-Fi
WI-Fi radio
Ponti
• •Zigbee
• Ponti
radio
• Cellulari
• Uwb
• Ponti
radio
Diverse tecnologie sono integrabili su di un medesimo
sistema embedded con progetto ad hoc
8
Frequenza e sua influenza
Dimensioni antenna
Banda
Riflessioni sulle superfici
Penetrazione in acqua
Superamento oggetti
Prestazioni
Frequenze e Tecnologie …
Banda
VLF
(Very low frequency)
LF
(Low frequency)
MF
(Medium frequency)
HF
(High frequency)
Frequenza
< 3 Hz
Lunghezza d'onda
> 100.000 km
3–30 kHz
100 km – 10 km
tecnologie
Principali impieghi
Marina, comunicazione con i sottomarini
RFID LF
30–300 KHz
10 km – 1 km
300–3000 KHz
1 km – 100 m
Trasmissioni radio intercontinentali in AM
Trasmissioni radio in AM
RIFD HF
3–30 MHz
100 m – 10 m
Radioamatori, CB, trasmissioni intercontinentali in
codice Morse
VHF
(Very high frequency)
30–300 MHz
10 m – 1 m
Radio FM, Forze dell'ordine, Televisione,
Radioamatori, Radiofari
UHF
(Ultra high frequency)
300–3000 MHz
1 m – 100 mm
3–30 GHz
100 mm – 10 mm
Radar, Satelliti
30–300 GHz
10 mm – 1 mm
Trasmissioni satellitari e radioamatoriali
SHF
(Super high frequency)
EHF
(Extremely high
frequency)
WSN, RFID UHF,
BLUETOOTH,
ZIGBEE,
WI-FI, GPS,
TELEFONIA
CELLULARE
WI_MAX, UWB
Televisione, Telefonia cellulare, trasmissione dati, wsn
Capacità di elaborazione nella pervasività
Funzionalità=f(energia)
Complessità
Costo
Capacità
sensoriale
RFID
SPRFID
SRFID
Active Wireless
(sensor) Network
Energia
Consumo di
potenza
10
11
Sistemi RFID attivi e passivi
Attivi
Passivi
Fonte di energia
Batteria
Energy scavenge
Distanza lettura
Dipende dall’energia a
disposizione
Pochi metri
Influenza dell’ambiente
Bassa
Problemi accentuati con
Metalli, liquidi, …
Prezzo
>5 EUR
>0,20 EUR
Dimensione
Scatola di fiammiferi
Piccoli, flessibili
Executive MBA
2° Master in ICT
2008 MIP - Riproduzione riservata – Prof. C. Alippi
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RFID: Lettore e Tag
Il modello di trasmissione richiede due diversi
dispositivi:
Tag
Lettore
Composto generalmente da:
Composto generalmente da:
Modulo RF e mod/demod
Memoria interna
Unità di elaborazione
Logica di controllo e algoritmo di anticollisione
Batteria o interfaccia per rete elettrica
Interfaccia per trasmettere i dati letti
Modulo RF Circuito per estrarre energia
(passivi) o batteria (attivi)
Memoria E2PROM per memorizzare l’ID
Logica di controllo e algoritmo di anticollisione
(sensori)
(unità di elaborazione)
RFID: meccanismi di
comunicazione
modello campo vicino (HF)
Accoppiamento induttivo
A frequenze inferiori a 100MHz è
più pratico a causa delle
dimensioni delle antenne
tradizionali (tag a 125kHz e
13.56MHz)
13
modello campo lontano (UHF)
Accoppiamento elettromagnetico
A frequenze superiori a 100MHz
è più pratico a causa delle
dimensioni delle antenne
tradizionali (tag 868MHz)
RFID HF: il sistema più diffuso per la
lettura in prossimità
• Accoppiamento induttivo tra due bobine (lettore e tag)
• Frequenza tipiche di funzionamento 125kHz o13,56 MHz
• La distanza di lettura è dell’ordine del diametro della bobina
dell’antenna del lettore
• Possono funzionare in modalità duplex (energia trasmessa e
ricezione dati contemporanea) e sequenziale (caricamento del
condensatore e poi invio informazione)
14
RFID UHF: la soluzione per il futuro, lettura a
lungo raggio
15
Gli RFID più moderni trasmettono nel range UHF:
– meccanismo di comunicazione basato su accoppiamento elettromagnetico
– La trasmissione di dati avviene tramite la variazione della impedenza
(modulazione ASK, FSK o PSK)
– La distanza di lettura può essere di parecchi metri
– Antenna bipolari lunghe qualche centimetro
E a frequenze ancora più alte?
Tag a 2.45 e 5.8 GHz
Antenne ultra miniaturizzate
Ma…. distanze di lettura inferiori
Bande di frequenza e prestazioni
Scegliere la frequenza opportuna richiede diverse considerazioni
Alla frequenza di 433MHz la
lunghezza d’onda è di circa 70cm.
Le onde sono soggette a fenomeni
diffrattivi
Per trasferimento dati veloce,
l’utilizzo delle frequenze UHF e
2.45 GHz sono più indicate,
laddove non ci sono grossi
ostacoli.
16
17
E se inserissimo sensori sugli RFID (semi) passivi?
OGGI
sensori di temperatura,
sensori di pressione,
sensori di accelerazione
DOMANI
sensori più complessi e ad-hoc
capacità di interazione proattiva (attuatori)
RFID-semipassivi avanzati:
•
•
•
•
•
•
•
•
Monitoraggio ambientale
Monitoraggio strutturale degli edifici
Monitoraggio sismico/microsismico
Monitoraggio strutture metalliche
Monitoraggio parametri vitali/salute
E-nose
Rilevamento di radiazioni
Calcolo di indici di comfort degli ambienti
Integrazione di micro-sensori su silicio
passato
Sensori a componenti discreti
presente/futuro
MEMS: Micro-Electro Mechanical Systems. E’ la integrazione di elementi meccanici,
sensori, attuatori e elettronica su un substrato comune grazie alla “microfabbricazione”
– Sensori di temperatura
– Sensori di pressione
– Accelerometri
– Sensori di flusso
– Sensori di gas
– Micro-specchi deformabili
– Microturbine
I sensori
costruiti quindi
– vengono
Microingranaggi
contemporaneamente
al circuito integrato, non
– ….
integrati successivamente.
costo dello stesso ordine di grandezza di
quello richiesto per la produzione di un
circuito integrato
18
Un esempio di SRFID:
EmbedSense Passive Sensing tags
•
Estrema robustezza (temperatura –40o
+125o, accelerazione fino 50000g)
•
Sensori disponibili:Temperatura, strain
gauges, pressione, celle di carico
•
Possibili applicazioni: test sforzi e
temperature dei motori a turbina,
monitoraggio colonna vertebrale
(biomedico)
Ma….
• Accoppiamento induttivo, brevi distanze
(5 cm e dipende da geometria antenna)
• Costo elevato
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Internet delle cose: Reti attive
•
Collezione di unità wireless distribuite auto-organizzanti per il
monitoraggio ambientale, civile, la gestione della prima emergenza, la
domotica, …
A livello di nodo:
Fase di acquisizione dell’informazione
Elaborazione dell’informazione locale
Protocolli di comunicazione
A livello di rete:
Protocolli di routing
Comunicazione verso centrale operativa
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Reti attive
Problematiche tipiche dei sistemi dedicati, distribuiti e
real-time
AN
Aspetti principali:
Controllo Elaborazione dei Sviluppo di
dati:
HW e SW
della
Localizzazione
topologia Compressione
Clock sincron.
Consumo di Potenza
di rete
Aggregazione
Fault tolerance
Sicurezza della rete
Fusione
21
Da reti a stella a topologie più complesse nel
passaggio da RFID alle active networks
RETI A STELLA
• La comunicazione da nodo a nodo è
contenuta
• Applicazioni di monitoraggio estensivo di
grandi aree
RETI MULTI-HOP
• Consumo di potenza maggiore
(trasmissione e routing dei dati)
• Complessità nel calcolo di cammini di route
ottimali
• Nuove soluzioni per il risparmio energetico
(spegnimento selettivo, trasmissione
sincronizzata)
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Sensori e energia per un maggior valore
aggiunto
2000
Rene 11/00
2001
2002
2003 …
2005 …
Telos 4/04
Dot 9/01
23
2008
Jennic
Wireless
MicroController
Mica 1/02
Tmote Sky 05
Tmote Invent 06
Robust packaging
Mica2 12/02
38.4kbps
radio
Demonstrate
scale
NEST open exp.
Designed for
Platform
experimentation
128 kB code, 4 kB data
-sensor boards
40kbps OOK/ASK radio
512 kB Flash
-power boards
Commercial Off The
Shelf Components
(COTS)
Freescale
16bit
Spec
6/03
“Mote on
a chip”
SUN spot 05
SunSpot
BTnode rev.3 05
ZigBee
Confronto tra:
MICAZ, Jennic, SunSpot
MicaZ (Xbow)
Jennic (JENNIC)
SunSpot (Sun)
8-bit Atmel
32-bit RISC processor
32-bit ARM9
ATmega128L
2.5V min
15 µA sleep
TinyOS and NesC
2.4GHz ChipCon
TI CC2420
IEEE 802.15.4
compliant
19.7 mA Rx
17.4 mA Tx
250 kbps
2.2V to 3.6V battery
processor
3.7V min
32µA sleep
Java
2.4GHz ChipCon
TI CC2420
IEEE 802.15.4
compliant
19.7 mA Rx
17.4 mA Tx
250 kbps
0.2µA sleep
C language
Low-IF 2.4GHz
wireless transceiver
IEEE 802.15.4 and
ZigBee compliant
Rx current 34mA
Tx current 34mA
250 kbps
24
25
Reti di sensori: quale affidabilità?
Oggi:
Prime applicazioni. La situazione sta però cambiando velocemente grazie
alla tecnologia:
2003: MICA2 (Crossbow)
•Piattaforme prototipali per
ricerca
•Poco affidabili, fragili
•Nessun sistema di sviluppo
disponibile
2008: Jennic
(JENNIC)
2008: SunSpot
(SUN)
•Piattaforme robuste per applicazioni
commerciali
•Applicazioni già pronte per creare mesh
networks (tmote) e tool di sviluppo
Reti attive: il problema energetico
Obiettivo: sfruttare nuove fonti di energia per
• Prolungare la vita utile dei dispositivi
• Avere più funzionalità (aumento del range di comunicazione; computazione più
articolata, più sensori onboard)
Possibili soluzioni:
•
Batterie a film flessibile
flexible thin-film batteries (Infinite Power):
– Spessore inferiore ai 50 micron
– 4 volts, capacità 250 uAh per centimetro quadrato
– Costo tra $1 e $10 (volume, forma)
– Temperatura: -50 +120 gradi
•
Energy harvesting
– Luce
– Vibrazioni
– Onde elettromagnetiche nell’etere
– Gradienti termici
26
Energy harvesting: acquisiamo energia…
Sorgente di energia
Densità di potenza
Densità di energia
Batterie (zinc-air)
1000-1500 mWh/cm3
Batterie ricaricabili al litio
300 mWh/cm3
Solare (esterni)
15 mW/cm2 (direct sun)
0.15 mW/cm2 (cloudy day)
Solare (interni)
6 µW/cm2 (office desk)
0.6 mW/cm2 (60 W desk lamp)
Vibrazioni negli edifici
0.01 – 0.1 mW/cm3
Rumore acustico
3 nW/cm2 at 75 Db
1 µW/cm2 at 100 Db
Sistemi passivi alimentati
dall’uomo (sottoscarpa) 2 mW
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Internet delle cose: localizzazione di terminali
mobili (non GPS)
Si sfruttano due principi: la potenza del segnale ricevuto (RSSI) e il tempo di
trasmissione del segnale
t1
Ricevitore
-sferico
Modello
semplificato:
campo
EM
-attenuazione,riflessione
In ambienti reali vi sono fenomeni di
e diffrazione…
Reader ID4
distanza
−50
−55
−60
t0
−65
−70
3
−75
Trasmettitor
e
2.5
−80
2
−85
1.5
−90
0
1
0.5
1
1.5
0.5
2
-è Nel
calcolo del tempo di propagazione
fondamentale il sincronismo del clock
2.5
3
0
∆tsyncA- ∆tsyncB= 5 nsec
∆dAB= 1.5 m !
Tecnologie per localizzazione di terminali mobili:
WiFi
PRO:
sfrutta la presenza degli access
point usati per trasmissione dati
i tag possono integrare sensori o
pulsanti
per
attivare
una
trasmissione su richiesta
i dispositivi contenenti una scheda
Wi-Fi possono “autolocalizzarsi”
-
CONTRO:
Accuratezza: numero significativo
di access-point Es. 2-5m
Necessitano di una “Site-Survey”
per taratura del sistema
-
Tecnologie per localizzazione di terminali
mobili:UWB
PRO:
GPS terrestre
elevata precisione nella localizzazione (fino a
10 cm, tipicamente 30-40cm)
durata batteria tag 4-5 anni (1 segnalazione
/secondo)
-
CONTRO:
Per una localizzazione accurata è richiesta la
visibilità diretta tra tag e almeno tre antenne
-
Room
1 Tag A
Room Room
2
3 Tag B
UWB
controller
Personal
computer
Tag C
antennas
Room
4
Tag A room 1
Tag B roomLocation
3
map
Tag C room 4
Due scenari applicativi particolari dal
monitoraggio ambientale…
Monitoraggio della
barriera corallina
Brisbane, Queensland
Australia
Monitoraggio frane
di crollo
Monte S. Martino, Lecco
Italia
31
Infrastruttura tecnologica
Rete di sensori
wireless:
Deployment
Area
• Una rete di 10
sensori (alloggiati
all’interno di boe) è
stata sviluppata per il
monitoraggio della
barriera corallina
Australiana.
• I dati acquisiti sono
trasmessi localmente
ad una boa centrale
che ha il compito di
inoltrarli alla stazione
remota.
Sensori
Boa centrale
MBRS
MBRS: Moreton
Bay Research
Station – Stazione
Remota
Protocollo di comunicazione tra le boe:
adattatività e robustezza
Sottoscrizione
Sincronizzazione
Notifica aggiornamento tabella TDMA
Trasmissione locale
Trasmissione remota
Control Center
3
Storage
server
Network
G
W
Control Room
Internet
1
2
Un deployment credibile
Le boe sono distribuite
secondo una topologia
lineare
I sensori sono posti a 5m
sotto il livello del mare
Distranza tra le boe: da 5
a 20m
Distanza dalla stazione
remota: 700m
Dati acquisiti:
temperatura e luminosità
(acqua);
RSSI, 2 sensori di umidità,
potenza acquisita e stato
delle batterie (boa)
Le boe sono ancorate al fondo del mare
Due boe sensore e la
boa centrale
Il deployment
Dati alla stazione di controllo remota
•Visualizzazione e
memorizzazione
real-time dei dati
•Interpretazione dei
dati
Due scenari applicativi …
Monitoraggio della
barriera corallina
Brisbane, Queensland
Australia
Monitoraggio frane
di crollo
Monte S. Martino, Lecco
Italia
37
Il monte San Martino, Lecco
Particolare della
frattura monitorata
dalla rete di sensori
wireless
(LxHxD) 10x40x10m
Stazione di controllo
Campus Point
(distanza dalla frattura 2.5Km)
L’infrastruttura hardware
2.5-7Km
Unità sensoriale e di
processing (SPU)
Ponte
radio 5GHz
Ponte radio
SPU
Gateway
SPU
Control Center
GW
SPU
Storage
server
BCWSN
CAN
BUS
Network
ZigBee
BCWSN
SPU
100400m
Control Room
Internet
2.45GHz Rete
ZigBee
SPU
SPU
Controllore del BUS e
dell’unità WSN
L’internet delle cose:
Dove investe la ricerca?
41
RFID
Distanza di lettura
Throughput (tag nella stessa area? Collisioni?)
Consumo di potenza del reader VS distanza di lettura (lettore RFID
portatile o no?)
Sicurezza dati (Fino a che punto è sicura la comunicazione?)
Dimensioni dei tag, packaging
Gestione situazioni difficili (Acqua, metalli)
SRFID
Sensori integrati a bassissimo consumo di potenza
Convertitori analogico digitali (ADC) “ultra low power”
Coesistenza di sensori diversi integrati sullo stesso chip
Trasferimento della solo informazione necessaria
Ricezione da tag multipli: effetto sulla banda e algoritmi di
anticollisione più avanzati (frame di trasmissioni più lunghi nei SPRFID)
L’internet delle cose:
Dove investe la ricerca?
WSN
Sensori integrati a bassissimo consumo di potenza
Convertitori analogico digitali (ADC) “ultra low power”
Riduzione del consumo di potenza nella trasmissione
Soluzioni multi-antenna
Meccanismi di approvvigionamento energetico (solare, acustico,
deformazione,..)
Multihop: protocolli e aspetti di routing
Scalabilità delle dimensioni di rete
Aggregazione e interrogazione efficiente dei dati
Soluzioni cablate
Bus di campo (es. canbus, profibus)
Powerline
42
Internet delle cose
Domande?
43