Il progetto Wireless Sensor Network in Telecom Italia

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Il progetto Wireless Sensor Network in Telecom Italia
WSN
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TECNOLOGIE
Il progetto
Wireless Sensor Network
in Telecom Italia
VALTER BELLA
FABIO BELLIFEMINE
L’articolo, a valle di un breve excursus sulla provenienza e sull’evoluzione
delle reti di sensori senza fili ne descrive le caratteristiche precipue, gli
elementi costituenti e le loro modalità di funzionamento. Sono poi illustrate alcune attività del progetto di ricerca WSN di Telecom Italia, avente la
finalità di porre le basi per lo sfruttamento commerciale di questa tecnologia con particolare attenzione all’integrazione nelle architetture di sviluppo
servizi a valore aggiunto e alla sperimentazione di applicazioni di rilevanza
per l’operatore telco. Completa l’informazione sul tema una sintesi della
tecnologia ZigBee, lo standard internazionale più diffuso per le WSN, ed
un aggiornamento sul tema dell’alternativa all’uso delle batterie in queste
reti, ossia l’uso dell’innovazione tecnologica finalizzata ad una migliore
qualità della vita e alla tutela dell’ambiente.
1. Introduzione
Da tempo siamo abituati a conoscere e ad utilizzare Internet come una immensa banca dati di conoscenze, al punto di azzardare definizioni quali onniscienza e/o intelligenza della rete, sebbene la medesima sia stata semplicemente introdotta dall’uomo.
Le tecnologie wireless susseguitesi sul mercato
hanno inoltre consentito il fruire di Internet anche da
postazioni mobili, espandendo così la disponibilità al
sapere in luoghi remoti.
Ma l’uomo, nell’incessante ricerca mirata a colmare i limiti attuali delle proprie conoscenze e realizzazioni, si è presto accorto che internet è sì un
immenso deposito di conoscenze del mondo, ma
non ha nessuno dei cinque sensi umani necessari a
percepire gli stimoli dell’ambiente circostante e tanto
meno le articolazioni fisiche per reagire a tali stimoli.
In altre parole, attualmente, Internet non è
ancora in grado di semplificarci la vita, magari
attuando automaticamente tutta una serie di operazioni tediose e ripetitive cui siamo costretti nel
nostro vivere quotidiano. Tuttavia, questi limiti
stanno per essere superati grazie alla sinergia tra
Internet e le reti wireless di sensori ed attuatori
WSN (Wireless Sensor Network). Come conseguenza si avrà un’Internet sempre meno “umana”
ma sempre più al servizio dell'uomo: questo, in
e s t re m a s i n t e s i , a n c h e i l m e s s a g g i o re d a t t o
dall’ITU (International Telecommunication Union)
nel suo rapporto “Internet of Things”, uno studio
che delinea una profonda trasformazione del rapporto uomo-macchina.
In questo contesto tecnologico, Telecom Italia
ha lanciato nel 2006 un progetto di ricerca su reti di
sensori wireless, condotto dalla sede di Torino e
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dalla sede di Berkeley in collaborazione con alcuni
c e n tr i unive rsita ri inc lusa l’ Uni versi tà del l a
California a Berkeley, riferimento scientifico di
eccellenza sul tema.
Questo articolo, dopo un breve excursus sull’origine della tecnologia, descrive alcune attività del
progetto di ricerca di Telecom Italia. L’obiettivo del
progetto è quello di porre le basi per lo sfruttamento commerciale di questa tecnologia con particolare attenzione all’integrazione nelle architetture
di sviluppo servizi a valore aggiunto (VAS) e alla
sperimentazione di applicazioni di rilevanza per l’operatore telco.
2. Dagli Smart Dust alle WSN
Una decina di anni fa fu presentata una soluzione tecnologica allora ritenuta decisamente futuristica e denominata “Smart Dust”, basata sulla
dispersione nell’ambiente di dispositivi microscopici dotati di una relativa “intelligenza” (capacità di
calcolo), di discrete capacità di comunicazione e di
sofisticati sistemi di immagazzinamento dell’energia che conferivano loro la capacità di rimanere
attivi per lungo tempo senza connessione ad una
sorgente di alimentazione tradizionale. Leader nelle
ricerche in questo campo era, ed è tuttora,
l’Università di California a Berkeley.
Lo scenario atteso con gli Smart Dust era un
mondo disseminato di microscopici oggetti intelligenti connessi tra loro via radio ed immersi nell’ambiente a tal punto da non essere notati: erano i
primi passi del “disappearing” (o “ubiquitous”)
computing. Parte della innovatività di questa
visione è il concetto di “disappearing”, che non si
riferisce tanto alla miniaturizzazione spinta degli
oggetti, quanto alla scomparsa della interazione
cosciente tra uomo e macchina.
L’impiego dei sistemi di elaborazione diventa,
in un mondo pervaso di intelligenza informatica,
un fatto automatico e naturale: gli utenti si servono di avanzati microcomputer con la stessa
naturalezza con la quale oggi fanno uso dei
dispositivi elettromeccanici presenti negli elettrodomestici di uso comune, dei quali spesso
nemmeno conoscono l’esistenza. Gli oggetti
che, nascosti nello spazio che ci circonda, svolgono funzioni mirate a migliorare la nostra esistenza, devono avere elevate caratteristiche di
indipendenza anche dal punto di vista delle
comunicazioni.
Questo concetto è alla base di un nuovo paradigma di comunicazione che si va affermando in
questi anni parallelamente allo sviluppo della
microelettronica, e denominato ad hoc networking.
Microscopici ricetrasmettitori sono predisposti
per costituire una rete ad hoc che non necessita di
una infrastruttura di rete fissa cui connettersi, ma
sono essi stessi in grado di autoconfigurarsi in
rete, passandosi le informazioni l’un l’altro fino alla
destinazione. Uno scenario applicativo estremamente interessante che nasce dall’unione dei concetti di disappearing computing e di ad hoc
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networking è rappresentato dal caso in cui i microscopici ricetrasmettitori sono dotati di uno o più
sensori e microattuatori creando così una WSN.
La WSN permette di realizzare sistemi distribuiti
in grado di rilevare dall’ambiente, con elevata
capillarità, grandezze fisiche o meccaniche quali
temperatura, umidità, luminosità, posizione, vibrazione, inclinazione, accelerazione e così via. Le
WSN vengono progettate con caratteristiche di
flessibilità anche superiori alle reti ad hoc, in particolare per quanto riguarda i seguenti punti: capacità di autoconfigurazione, tolleranza di eventi quali
la scomparsa di un nodo di rete (che potrebbe
esaurire la batteria o essere meccanicamente
rimosso in modo non previsto), l’arrivo di un nuovo
nodo (conseguentemente allo spostamento di nodi,
nuovi “vicini” possono unirsi ad una rete di sensori
già costituita), elevata capacità di raccogliere e
immagazzinare energia (mediante uso di piccoli
pannelli solari o generatori piezoelettrici, in grado
di produrre energia sfruttando anche le minime
vibrazioni cui il sensore è soggetto).
3. L’approccio WSN in Telecom italia e la
piattaforma WSN-C
a cura di [email protected]
L’approccio tradizionale allo sviluppo di applicazioni che usano la tecnologia delle reti di sensori
wireless (WSN) è di tipo verticale: ogni applicazione ha un gateway dedicato con cui si interfaccia
in modo diretto e, tramite esso, interagisce con i
nodi della WSN. Ogni applicazione è quindi completamente indipendente dalle altre e, al più, riusa
del software opportunamente confezionato come
una sorta di libreria di funzioni.
Per un operatore di telecomunicazioni che
voglia fornire una pluralità di servizi basati sulla
stessa tecnologia, al concetto di applicazioni verticali e riuso del software è invece preferibile un
cosiddetto approccio orizzontale dove le funzionalità di WSN siano integrate nella Service Oriented
Architecture (SOA) dell’operatore come servizi di
base, ognuno con un proprio ciclo di vita indipendente dalle applicazioni stesse e addirittura condiviso fra le stesse applicazioni.
In tal caso, lo sviluppo di una nuova applicazione non è altro che la composizione (o più precisamente l’orchestrazione) di servizi che includono
sia servizi di WSN sia altri servizi IT, quali la
gestione della Presence, l’accesso ai servizi
SMS/MMS, l’accesso a servizi di autenticazione.
L’utilizzo degli stessi servizi da parte di una moltitudine di applicazioni crea una sorta di economia
di scala del software con il vantaggio di un più
veloce time-to-market e di una minore proliferazione di piattaforme di servizio diverse e indipendenti, da cui un minor costo di manutenzione.
Per comodità gestionale e semplicità architetturale, nel progetto si è scelto di unire logicamente tutte le funzionalità e i servizi basati sulle
reti di sensori in un’unica piattaforma, denominata WSN-C (Wireless Sensor Network Center).
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La WSN-C si integra nella SOA
dell’operatore, come rappresen1.Application
1.Application
1.Application
tato in figura 1 e fornisce, sotto
forma di servizi, un insieme di
funzionalità, indipendenti dalle
applicazioni, per la gestione di
reti sensori wireless, la configurazione, l’acquisizione dei dati, la
Orchestrator
gestione dei nomi logici, … .
La WSN-C svolge quindi un
ruolo di intermediazione fra le
applicazioni e il gateway e, di conseguenza, fra le applicazioni e la
HTTP Server
Media Server
Mail Server
SM-SC
WSN-C
specifica tecnologia di reti di sensori, per esempio ZigBee (si veda
SC = Service Center
l’approfondimento “Lo standard
ZigBee
SM = Short Message
Tiny OS
Other
tecnologico adottato in Telecom
WSNC = Wireless Sensor Network Center
Italia: ZigBee) o Tiny-OS. Da ciò
derivano minori tempi di sviluppo e
costi di manutenzione delle appliFIGURA 1› WSN-C integrata nella Service Oriented Architecture.
cazioni e, inoltre, vantaggi aggiuntivi quali quello che un’applicazione può incrociare dati provenienti da più WSN anche di produttori o tecnologie
configurazione delle WSN vengono convogliati
diverse o, al contrario, che una stessa rete WSN
tutti verso il GAL e da questi smistati ai nodi di
può essere usata da più applicazioni.
riferimento.
L’architettura interna della WSN-C è suddivisa
I GAL sono quindi degli strati software di
in più strati logici. Con riferimento alla figura 2, e
adattamento, ossia delle interfacce fra i gateway
con approccio descrittivo di tipo bottom-up, i dati
delle WSN e le applicazioni, in parte residenti
raccolti dalle WSN locali sono convogliati nei
sulla piattaforma WSN-C, che elaborano i dati
rispettivi gateway e da qui inviati ai Gateway
così raccolti. Il modulo della piattaforma denoAbstraction Layer (GAL) di riferimento. Allo stesso
minato Protocol Adapter Southbound gestisce il
modo, le richieste di attuazione e i messaggi di
protocollo di comunicazione fra GAL e WSN-C.
APPLICATION
REST
J2EE/RMI
SOAP
Protocol Adapter
Northbound
...
Data Control and Management Interface
Data Layer
Archiver
DB
Platform
DB
Topology
DB
Router/
Dispatcher
Namespace
Resolver
Archiver
Profile
Repository
Technology/
Discovery
Subscription
Manager
Trust
Center
Policy
Manager
Functional Layer
Virtual Data Provider
Indoor Location Virtual sensors ...
Pattern Recognition
Correlation
Data Provider
Tiny OS
Data Provider ZigBee
Logging
Alerting
Control Layer
WSN Data
Cache
Management Layer
Data Provider
other
Configuration
Performance
Dashboard
Data Provider Interface
Protocol Adapter
southbound
REST
GAL
ZigBee
GAL = Gateway Abstraction Layer
J2EE = Java 2 Enterprise Edition
REST = REpresentational Transfer State
ZigBee
GAL
GAL
ZigBee
Tiny OS
GAL
Other
RMI = Remote Method Invocation
SOAP = Simple Object Access Protocol
WSN = Wireless Sensor Network
FIGURA 2› Architettura della WSN-C.
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Il modulo è in grado di adattarsi e gestire una eterogeneità di protocolli diversi, tuttavia si ritiene che
il protocollo REST sia tra questi quello più adatto
alle caratteristiche della presente architettura in
quanto è in grado di attraversare i firewall, è scalabile e minimizza i sovraccarichi di comunicazione.
Il GAL infine dovrebbe preferibilmente diventare
un’interfaccia standard in quanto rappresenta il
contratto software stabilito fra produttore e utilizzatore di WSN. Il livello di controllo disaccoppia la
piattaforma WSN-C dalla particolare tecnologia
WSN fornendo ai livelli più alti una vista omogenea
e indipendente dalla tecnologia sottostante, sia
essa ZigBee, Tiny-OS od altro.
Sopra questo strato troviamo un livello assai
articolato e di fondamentale importanza: Il livello
funzionale. Qui si concentrano le funzionalità della
piattaforma quali:
• la gestione dei nomi logici e degli indirizzi delle
reti WSN e dei relativi nodi;
• la gestione della topologia delle reti e di eventuali profili di servizio;
• l’archiviazione dei dati;
• la gestione del contratto di publish/subscribe
con le applicazioni;
• l’autenticazione dei nodi delle WSN e la relativa
gestione delle chiavi di sicurezza, … .
Fanno parte di questo livello anche i cosiddetti
Virtual Data Providers, ossia sensori virtuali che
possono essere definiti dalla applicazione stessa e
che incapsulano algoritmi di elaborazione del
segnale per realizzare funzionalità complesse, quali
la localizzazione, il riconoscimento di pattern statistici, l’esecuzione di funzioni matematiche su dati
elementari acquisiti dai sensori.
Il livello più alto, il Protocol Adapter Northbound,
è il livello di esposizione dei servizi che prevede, per
massimizzare l’integrabilità in diverse architetture, la
possibilità di esporre i servizi con diversi protocolli,
incluso REST, SOAP, Java RMI, EJB, … . Ai lati dell’architettura esposta in figura 2 vi sono infine i livelli
di gestione dei dati e dei meta-dati acquisiti dalla
piattaforma e il livello OSS, con funzionalità di logging, configurazione, alerting, ... .
4. WSN: il Centro di ricerca a Berkeley
L’articolazione della piattaforma WSN-C ora illustrata evidenzia la sua complessità e conseguentemente la pluralità di competenze interdisciplinari
necessarie alla propria realizzazione e gestione.
Esiste inoltre la necessità di adottare soluzioni di
assoluta avanguardia, al fine di offrire a Telecom
Italia un vantaggio competitivo di assoluto rilievo.
Per queste ragioni, oltre al fitto e consolidato
rapporto di attività di ricerca fra Telecom Italia e le
Università nazionali ed internazionali, il progetto
collabora con il WSNLab di Berkeley, un centro di
ricerca sulla tecnologia WSN creato congiuntamente da Telecom Italia e Pirelli con la supervisione scientifica del prof. Alberto Sangiovanni
Vincentelli. Il centro si avvale di un accordo di collaborazione con il Dipartimento di Electrical
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Engineering and Computer Sciences (EECS)
dell’Università di UC Berkeley, famosa per essere il
precursore della ricerca su questa tecnologia e per
aver coniato il termine “smart dust”.
Qui Telecom Italia ha trovato quindi disponibile
il know-how, le tecnologie ed i prototipi relativi
all’intero ecosistema WSN: dai dispositivi MOTE, ai
sistemi operativi TinyOS, ai protocolli, alla sicurezza, ai data base “leggeri” TinyDB, agli aspetti di
PicoRadio, e così via. La collaborazione tra il centro Telecom-Pirelli e l’Università si focalizza, fra le
altre cose, sul Platform-Based Design, con l’obiettivo di realizzare strumenti capaci di sintetizzare
automaticamente, a partire da una descrizione funzionale di “cosa il sistema debba fare”, una piattaforma completa, costituita sia da hardware, sia
da software e sull’analisi dei dati catturati dai sensori, al fine di aggregarli, elaborarli e inferire eventi
di interesse per le applicazioni.
In particolare, si stanno studiando algoritmi di
Signal Processing e Pattern Recognition per l’analisi
di dati provenienti da sensori inerziali, quali accelerometri e giroscopi per inferire eventi come la caduta,
la corsa, l’urto, l’atto di sdraiarsi; gli stessi tipi di dati
saranno poi anche usati per realizzare sistemi di supporto alla navigazione e localizzazione.
Inoltre tale collaborazione consente la creazione
di una rete di contatti con le aziende della Silicon
Valley e nella Bay Area su tali tematiche, permettendo di avere un rapporto prioritario e privilegiato
con tale contesto a forte sviluppo tecnologico,
strettamente connesso al tessuto universitario che
ne è la sorgente primaria.
5. Kaleidos: le WSN per il monitoraggio delle
Centrali di Telecom Italia
a cura di [email protected]
Una delle prime applicazioni realizzate dal progetto di ricerca WSN è Kaleidos, un sistema di
monitoraggio dei consumi elettrici delle centrali
telefoniche. Telecom Italia ha infatti già da anni
intrapreso la strada di ridurre i consumi energetici
raggiungendo risultati molto positivi. Proprio per
questo, gli obiettivi di miglioramento che l’azienda
oggi si pone richiedono una granularità e frequenza
nella misura dei flussi energetici molto maggiore
rispetto al passato: non sono più sufficienti i soli
dati di consumo dedotti da semplici letture dei
contatori elettrici. Il monitoraggio capillare ed in
tempo reale del consumo di energia elettrica in edifici ed impianti produttivi abilita l’ottimizzazione dei
consumi ed una migliore capacità di acquisto dell’energia. Esso inoltre abilita una maggiore capacità di pianificazione, progettazione e verifica degli
interventi volti a ridurre i consumi stessi.
Un primo salto di qualità verrebbe dal disporre
dati di consumo con frequenze almeno orarie e non
limitati alla sola misura dell’energia consumata, ma
che includano altri parametri di qualità (potenza
attiva, reattiva, apparente, fattore di potenza,
microinterruzioni, valore della tensione, presenza di
armoniche indesiderate, ...).
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Altro e più rilevante salto di qualità potrebbe derivare dall’effettuare la misura dei flussi energetici con
granularità di sala/apparato, in modo da avere la
conoscenza precisa dei consumi degli apparati TLC,
di quelli accessori (condizionamento, servizi, ...) e
delle condizioni ambientali (temperatura, umidità,
illuminazione, ...), pertinenti ad ogni apparato o
gruppo di apparati che si trovano nella stessa sala e
possibilmente in modo continuativo ed in tempo
reale. Questo consentirebbe, tramite opportuni indicatori, un controllo completo della situazione, l’inserimento di adeguata allarmistica o di azioni automatiche di feedback per la gestione delle anomalie (nei
consumi energetici), la pianificazione degli interventi
migliorativi e la verifica dell’efficacia di questi interventi. Tecnicamente tutto questo è fattibile con tecnologie consolidate ma, come evidenziato in passato
da alcune sperimentazioni pilota, con costi proibitivi
se estesi per lunghi periodi o a molte centrali.
Il sistema Kaleidos, sviluppato nell’ambito del progetto WSN, grazie all’impiego di reti di sensori wireless (WSN) e di una sensoristica innovativa, rende
questo obiettivo accessibile dal punto di vista economico con ritorni dell’investimento in alcuni casi anche
inferiori all’anno. Ciò è reso possibile dalla concomitanza di diversi fattori. Prima di tutto l’economia di
scala di soluzioni standard (ZigBee nella fattispecie).
Ma, soprattutto, i bassissimi costi di installazione poiché, essendo le reti wireless, non è necessaria alcuna
cablatura e essendo le reti auto-configuranti, non è
richiesto personale specializzato né modifiche
impiantistiche in quanto la sensoristica scelta si
installa quasi sempre tramite un semplice velcro.
L’architettura di riferimento del sistema ricalca
quella generale del progetto WSN, come rappresen-
Sensori Ambientali
(Temp. Umid., Luce, Presenza)
Sensori CC.
Principali utenze
in corrente
continua
Sala
QLQ
Sala
1
...
tato in figura 3. La rete di sensori è wireless a standard ZigBee e, nella versione attuale, utilizza tre tipologie di sensori: un sensore in grado di misurare temperatura, umidità relativa e luminosità; un sensore in
grado di misurare la corrente alternata ed un sensore
in grado di misurare la corrente continua. Una opportuna pianificazione dei punti di misura permette di
monitorare in tempo reale l’efficienza energetica della
centrale (ossia la percentuale di energia consumata
per gli apparati telefonici) e le condizioni ambientali
delle diverse sale, nonché il funzionamento dei
sistemi di condizionamento e degli impianti principali
di illuminazione. In ogni centrale la rete ZigBee termina in un gateway con interfaccia ethernet collegato direttamente alla rete IP aziendale. Tramite il
gateway i dati sono inviati alla piattaforma WSN-C e,
da questa, sono fruiti tramite applicazione Web.
La sperimentazione del sistema Kaleidos è partita a Marzo 2007 nella Centrale Vanchiglia, è stata
estesa nel corso dello stesso anno ad altre tre centrali e nel 2008 sarà estesa a 100 fra le centrali più
energivore di Telecom Italia. I dati raccolti permettono in tempo reale di monitorare l’andamento dell’efficienza energetica e la ripartizione dei consumi
e come questi si correlano alle condizioni climatiche. Inoltre, i dati hanno permesso ai colleghi di
Energy Systems di ottimizzare i punti di lavoro dei
sistemi di condizionamento (in particolare i free
cooling), progettare degli interventi di risparmio
energetico e verificarne l’efficacia in tempo reale. È
ovviamente difficile fornire un numero magico che
quantifichi i risparmi generati, tuttavia si può dire
che ad Aprile 2007 l’efficienza energetica della
centrale Vanchiglia era nell’ordine del 50% mentre
oggi, un anno dopo, essa è nell’ordine del 65%.
Piattaforma di
gestione - WSNC
Sala
1 Tx
Raddrizzatore
Rete IP
(Dacon)
Sensori CA
(condizionatori
raddrizzatori, ...)
Rete Wireless
Mesh ZigBee
Flusso primario
Gateway
ZigBee
WSNC = Wireless Sensor Network Center
Cabina
di trasformazione
FIGURA 3› Vista “fisica” dell’architettura di Kaleidos.
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Lo standard
tecnologico adottato
in Telecom Italia:
ZigBee
a cura di
[email protected]
Range
WWAN
IEEE 802.22
IEEE 802.20
WMAN
WiMax
IEEE 802.16
WLAN
Con l’avvio del progetto WSN in
Telecom Italia si è dovuto operare una
scelta tecnologica sull’interfaccia
radio da applicare ai sensori ed agli
attuatori. A valle di un’attenta operazione di scouting tecnologico, la
scelta è caduta sulla tecnologia
ZigBee, non solo per le sue peculiarità funzionali, ma per il fatto che
essa è divenuta uno standard con
conseguente universale compatibilità
dei dispositivi da applicare nei vari
servizi a valore aggiunto.
ZigBee è una tecnologia radio di
prossimità nata dalla necessità di
definire uno standard di comunicazione wireless per la creazione di reti
di micro-dispositivi con le seguenti
caratteristiche:
• bassi costi;
• consumi limitati;
• utilizzo di frequenze libere;
• scalabilità;
• affidabilità;
• interoperabilità;
• sicurezza.
Questa tecnologia radio opera su frequenze libere della banda UHF (868 e
915 MHz) e ISM (2.4 GHz), con velocità di trasmissione dati che arrivano
al massimo a 250 kbps (figura A).
Essendo una tecnologia di prossimità, il raggio di azione non supera i
100 metri in spazio aperto su singola
tratta (single-hop), ma si estende
notevolmente se si sfrutta il “multihop”, cioè la possibilità di far transitare l’informazione da un nodo all’altro fino al nodo destinazione, che,
non trovandosi nel raggio d’azione
del nodo sorgente, non può essere
raggiunto direttamente.
La rapida diffusione a livello mondiale
di questa tecnologia ha determinato
nel 2000 la necessità di fondare l’associazione non-profit ZigBee Alliance,
composta da circa 210 aziende (tra cui
Freescale, Huawey, Mitsubishi,
Motorola, Philips, Samsung, Siemens,
ST
Microelectronics,
Texas
Instruments, Telefonica, KDDI) che
operano nel campo di semiconduttori,
46
WiFi 802.11
ZigBee
802.15.4
WPAN
0.01
WLAN
WMAN
WPAN
WWAN
0.1
=
=
=
=
802.15.3
802.15.3a
802.15.3c
Bluetooth
802.15.1
1
10
100
1000
Data Rate (Mbps)
Wireless Local Area Network
Wireless Metropolitan Area Network
Wireless Personal Area Network
Wireless Wide Area Network
FIGURA A› Collocazione funzionale della tecnologia ZigBee.
tecnologia hardware e software,
sistemi di comunicazioni, prodotti enduser. Telecom Italia è entrata a far parte
di ZigBee Alliance nel luglio 2004, assumendo da subito un ruolo di prestigio e
presiedendo dallo scorso anno il
Telecom Applications Profile Group,
gruppo che intende rilasciare a fine
anno le specifiche per applicazioni
ZigBee basate su terminali telco.
Applications
ZigBee Application Layer
ZigBee Network & Security Layers
IEEE 802.15.4 MAC
IEEE 802.15.4 PHY
(868/915 Mhz, 2.45 Ghz)
Frequency
Band
License
Required?
Geographic
Region
Data
Rate
Channel
Number(s)
868.3 MHz
No
Europe
20kbps
0
902-928 MHz
No
Americas
40kbps
1-10
2405-2480 MHz
No
Worldwide
250kbps
11-26
FIGURA B› Stack protocollare ZgBee.
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Lo stack protocollare ZigBee (figura
B) specifica i livelli di rete, sicurezza e
applicazione. La standardizzazione si
spinge fino a livello applicativo, definendo profili applicativi specifici che
garantiscono l’interoperabilità tra produttori diversi che possono coesistere
con profili privati proprietari.
Le configurazioni di rete proprie di
ZigBee prevedono la scelta di un nodo
con funzionalità di coordinatore della
PAN (ZigBee Coordinator), responsabile principalmente della formazione
della rete e della gestione centralizzata della sicurezza. Gli altri nodi possono essere degli instradatori (ZigBee
Routers), nel caso in cui siano connessi con più di una unità (figura C), o
semplici foglie della rete (ZigBee End
Device), nel caso di connessione ad
un singolo elemento.
I campi di applicazione per la tecno-
Star
Mesh
ZigBee
coordinator
ZigBee
Routers
Cluster
Tree
ZigBee
End Devices
FIGURA C› Possibili combinazioni di una
rete ZgBee.
Security
HVAC
AMR
Lighting Control
Access Control
BUILDING
AUTOMATION
ENERGY MGT
& EFFICIENCY
CONSUMER
ELECTRONICS
Demand Response
Net Metering
AMI, SCADA
Patient
monitoring
Fitness
monitoring
TV
VCR
DVD/CD
Universal
Remotes
Mouse
Keyboard
Joystick
PC &
PERIPHERALS
PERSONAL
HEALTH CARE
Asset Mgt
Process Control
Environmental
Energy Mgt
TELECOM
SERVICES
INDUSTRIAL
CONTROL
M-commerce
Info Services
Object Interaction
(Internet of Things)
HOME
CONTROL
Security
HVAC
Lighting Control
Access Control
Irrigation
FIGURA D› Campi di applicazione di reti WSN basate su ZigBee.
logia ZigBee sono molto estesi (figura
D), sia in ambito “indoor” che “outdoor” ed interessano tematiche quali
la domotica, la gestione dell’energia
in ambiente domestico e industriale,
l’automazione industriale, l'elettronica
di consumo, il machine-to-machine e
le reti di sensori per il monitoraggio
dell’ambiente.
Per garantire l’interoperabilità tra prodotti di fornitori diversi, la ZigBee
Alliance cura la creazione di profili
applicativi standard. Sono attualmente
attivi i seguenti gruppi che curano la
realizzazione dei profili applicativi:
• Smart Energy;
• Home Automation;
6. Il progetto SPINE di Telecom italia: le WSN al
servizio delle persone
a cura di [email protected]
Un altro ambito di applicazione della tecnologia
WSN affrontato nel progetto è quello delle reti di
sensori indossabili. In questo contesto, in occasione della quinta edizione della conferenza europea
sulle
reti
di
sensori
(EWSN08,
http://www.ewsn.org/), il progetto ha lanciato una
nuova iniziativa Open Source: il progetto SPINE
(Signal Processing In Node Environment).
SPINE, che in inglese sta per spina dorsale, è
un framework software per lo sviluppo di algoritmi
di signal processing distribuiti sui nodi di una rete
d i s e n sori, oggi disponibile on l i n e su l si to
http://spine.tilab.com con licenza free software
LGPL 2.1 (Lesser GNU Public License). Esso permette di ridurre il time-to-market per lo sviluppo di
applicazioni e servizi basati sul riconoscimento di
•
•
•
Telecom Applications;
Wireless Sensor Network;
Personal Home and Hospital
Health Care;
• Commercial Building Automation.
L’Operatore, in questo scenario di
rete pervasiva fisso/mobile estesa ad
un ambiente sempre più “intelligente”,
può giocare così un importante ruolo
strategico, creando un ecosistema
unico di cui assumere il controllo, non
solo come trasportatore di dati, ma
identificandosi come gestore della
personalizzazione ed integrazione con
i bisogni e le esigenze dell’utente.
posture, movimenti, e, più in generale, basati sulla
classificazione automatica dei dati provenienti da
una moltitudine di sensori eterogenei.
SPINE è il risultato del lavoro congiunto fra il
progetto di ricerca Wireless Sensor Networks di
Telecom Italia e il WSNLab di Berkeley. Con lo
strumento dello Open Source, Telecom Italia
ambisce a diventare punto di riferimento della
comunità scientifica e R&D in questo settore tecnologico. Intorno al progetto SPINE si sta infatti
già catalizzando un “ecosistema” di università ed
enti di ricerca industriale. Lo “SPINE Team”
conta già prestigiosi contributi oltre a quello di
Telecom Italia e del WSNLab; in particolare, il
gruppo del Prof. Sangiovanni Vincentelli
(http://embedded.eecs.berkeley.edu/Respep/Res
earch/asves/index.html) presso l’Università della
California a Berkeley (UCB), del Prof. Fortino
(http://wwwinfo.deis.unical.it/~fortino/) presso
l’Università della Calabria e del Prof. Jafari
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BELLA › BELLIFEMINE • Il progetto Wireless Sensor Network in Telecom Italia
(http://www.essp.utdallas.edu/) presso l’universarà incluso il supporto anche per altri tipi di piatsità del Texas a Dallas. Inoltre numerosi altri centaforma, compresi quelli a standard ZigBee, grazie
tri di ricerca hanno già dichiarato interesse all’ua un livello di astrazione che renderà SPINE indit i l i z z o d i S P I N E , f r a q u e s t i I n t e l R e s e a rc h ,
pendente dal tipo di piattaforma.
Motorola R&D, e altri gruppi di UCB.
Uno dei primi campi applicativi di SPINE è stato
SPINE può essere utilizzato per tutte le appliquello relativo alle applicazioni “assisted living” o
cazioni che richiedono l’elaborazione dei dati
“physical activity monitoring” per il monitoraggio
provenienti dai sensori in rete. La prima applicada remoto dell’attività motoria di una persona. Tale
zione sviluppata con SPINE riguarda il monitoapplicazione è basata sui dati prelevati da una rete
raggio del livello di attività fisica di una persona
di sensori indossabile, ovvero da una BSN (Body
e la possibilità di rilevare in tempo reale situaSensor Network) dove sul corpo della persona
zioni critiche come la caduta. In questo esempio
sono posizionati sensori di movimento (acceleroapplicativo SPINE è utilizzato per l’analisi dei
metri e giroscopi).
dati dei sensori di una rete indossabile, ma può
Tuttavia SPINE si propone di diventare il fraessere facilmente utilizzato per reti di sensori più
mework di riferimento non solo per le applicazioni
ampie e variegate.
di monitoraggio dei movimenti della persona, ma
Con riferimento alla figura 4 il software SPINE è
per diverse applicazioni che potranno includere
costituito da due parti distinte e complementari.
nuovi sensori presenti anche nell’ambiente e non
Una prima parte consiste nell’applicazione
unicamente limitati all’area del corpo umano.
SPINE da installare sui nodi sensore. Questa forSPINE fornisce quindi gli strumenti per sviluppare
nisce funzionalità di signal processing che perapplicazioni basate sui dati provenienti dai sensori
mettono al nodo di elaborare il segnale catturato
presenti nella rete.
dai sensori e inviare al coordinatore solo le caratteristiche del
segnale, le cosiddette feature,
anziché l’intero insieme di camnodi sensore
pioni acquisiti dal sensore (raw
coordinatore
data). In particolare, SPINE perWSN
mette all’applicazione di selezion a re l e f e a t u re n e c e s s a r i e e
i s t r u i re o g n i n o d o a d i n v i a re
esclusivamente quanto necessario per l’applicazione. Ciò implica
un migliore utilizzo sia del canale
radio sia delle risorse energetiche
BSN
del nodo stesso (a titolo esempli802.15.4
ficativo e per apprezzare il valore
radio
di questa applicazione, si consideri che per un nodo di una rete
BSN = Body Sensor Network
WSN = Wireless Sensor Network
di sensori la trasmissione di un
byte richiede circa lo stesso consumo di batteria dell’esecuzione
di 1000 istruzioni). Le funzionalità
FIGURA 4› Logo e architettura di principio del progetto SPINE.
di signal processing sui nodi sono
indipendenti
dal
tipo
di
segnale/sensore da analizzare e
possono essere facilmente estese per includere
Nell’applicazione dimostrativa che Telecom
nuove funzionalità di analisi del segnale stesso.
Italia e il “SPINE team” hanno presentato a
Una seconda parte consiste in un’applicazione
EWSN08 (figura 5), i sensori sono posizionati sul
Java da installare sul coordinatore, tipicamente un
corpo e permettono di determinare la posizione
telefonino. Questa applicazione coordina appunto i
della persona e di inviare messaggi di allarme quanodi sensore, istruendoli sulle operazioni da eselora si verifichino condizioni critiche.
guire, acquisendo le feature calcolate dai nodi e
Questo tipo di tecnologia può essere utilizzato
elaborandole al fine di classificare e riconoscere
per il monitoraggio remoto delle persone anziane
posture (es. in piedi, seduto, in movimento) o tipi di
dove il medico curante o il personale sanitario di
movimenti. La applicazione è anche in grado di
riferimento è avvisato dell’attività motoria quotientrare in modalità learning per apprendere autodiana del paziente, ad esempio con l’invio giornamaticamente nuovi tipi di posture o movimenti.
liero di statistiche, ricevendo in tempo reale mesSulla base di queste due componenti, gli svilupsaggi di allarme al verificarsi di condizioni critiche
patori possono realizzare servizi con un più veloce
(nell’esempio di figura 6, la caduta del paziente).
time-to-market.
L’aggiunta di ulteriori sensori biomedicali consentiLa prima versione di SPINE utilizza nodi con
rebbe poi di evincere in modo più mirato la situainterfaccia radio a standard IEEE 802.15.4 e
zione critica, consentendo un soccorso assai più
sistema operativo TinyOS. Nelle prossime versioni
efficiente.
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zione che fanno di SPINE uno
strumento innovativo per la
gestione della rete di sensori, con
l’obiettivo di comporre con intelligenza i dati rilevati dai sensori
stessi.
Monitoraggio
attività fisica
Walking
Allarme per
condizioni critiche
7. WSN e le batterie:
un tema sfidante
Un ultimo, ma non per importan za, aspetto qui t r a t t a t o in
merito alle attività del progetto
WSN presso Telecom Italia
riguarda il problema delle alimentazioni dei nodi e, più in generale,
di tutti quei dispositivi portatili che
richiedono l’impiego di una o più
batterie.
Far funzionare tutto ciò che è
portatile senza batterie (batteryless), e conseguentemente senza i
relativi caricatori è impresa non
facile. Già oggi nelle nostre abitazioni ed uffici cerchiamo di districarci tra grovigli di fili dei caricatori
per cellulari, dispositivi bluetooth, laptop, PDA
(Personal Digital Assistant) oltre a quelli per gli MP3
player, videocamere e fotocamere digitali.
Ma l’attuale scenario non evidenzia ancora
appieno la portata di questo problema.
Come accennato in premessa, già nei prossimi
anni, si assisterà ad una nuova rivoluzione denominata “L’Internet delle cose”, un’espressione suggestiva per indicare miliardi di oggetti che si autorganizzano in pico-reti di sensori ed attuatori WSN, in
grado di conferire una “fisicità” all’attuale Internet
dotandola della capacità di percepire gli stimoli
provenienti dell’ambiente reale circostante e di reagire in modo appropriato ad essi.
Ciascuno di questi
oggetti è dotato almeno di
un processore, una radio,
un sensore, un attuatore
e, ovviamente, una batteria. Questo significa che, a
meno di nuove soluzioni,
le batterie impiegate si
conteranno a miliardi con
problemi enormi da risolvere in termini economici,
ecologici e manutentivi
(figura 7 A).
Telecom Italia, da tempo
impegnata sul tema del
risparmio energetico nonché sulla sperimentazione
di fonti alternative di produzione di energia elettrica
per alimentare le stazioni
radio base, pone anche
p a r t i c o l a re a t t e n z i o n e a l
problema delle batterie in
quanto destinato a divenire
Fall detecting
Statistiche di
attività
giornaliera
Rete di
sensori
Indossabile
Coordinatore/Gateway
Servizi
FIGURA 5› Esempi di applicazioni abilitate da SPINE.
SPINE fornisce quindi una struttura per facilitare lo sviluppo di nuove applicazioni: i nuovi contributi non sono solo finalizzati all’ottimizzazione
del framework stesso, ma soprattutto alle applicazioni che saranno sviluppate usando il software
come strumento di lavoro.
Anche in reti di piccole dimensioni, quali le
Body Sensor Network, la quantità di parametri
monitorati dai sensori può essere enorme, si
pensi poi a reti più estese che, grazie al multihop
possono coprire superfici dell’ordine dei chilometri quadrati: tutta la quantità di dati raccolti da
questi nodi deve essere elaborata e opportunamente classificata per ricavarne le informazioni
utili all’utente. È a questo stadio che entrano in
gioco gli algoritmi di classificazione e di elabora-
FIGURA 6› Segnalazione di caduta del paziente monitorato.
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BELLA › BELLIFEMINE • Il progetto Wireless Sensor Network in Telecom Italia
precipuo nei futuri servizi a
v a l o re a g g i u n t o ( VA S )
basati sulle emergenti reti
w i re l e s s d i s e n s o r i e d
attuatori. In questo contesto, presso i laboratori di
r i c e rc a d i Te l e c o m I t a l i a
sono in essere attività di
s c o u t i n g e re a l i z z a z i o n e
prototipali sulle due possibili modalità alternative alle
batterie:
• energy
scavenging,
ossia l’insieme di tecnologie per tradurre in
e n e rg i a e l e t t r i c a a l t re
entità presenti nell’ambiente circostante quali
FIGURA 7› A) Batterie ed ipatto ecologico; B) Dispositivi per l’estrazione di energia elettrica dall’abiente
luce, suoni, vibrazioni,
temperatura, campi
elettromagnetici, ecc.,
(figura 7 B);
Technology) e nella figura 8 B il corrispettivo
• trasmissione di energia senza fili, necessaria
costruito in TILab (Telecom Italia Lab). Entrambi
quando dell’energy scavenging non risulta suffii di mo strato ri h an n o co n sen ti to un t r a s fe r iciente ed occorre perciò trasferire energia dalla
mento energetico a distanze dell’ordine del paio
sorgente al dispositivo finale senza l’adozione
di metri, con un’efficienza compresa tra il 15%
di conduttori elettrici.
ed il 40%. Il dimostratore TILab ha dimostrato
Mentre l’energy scavenging è una tematica
inoltre per primo che il trasferimento energetico
di ricerca piuttosto diffusa in ambito accadeè perturbato in modo minimo anche quando tra
mico e presso i laboratori di ricerca, la trasmisl’elemento emittente e quello ricevente sono
sione di energia senza fili è meno trattata in
interposti oggetti metallici, conferendo così al
quanto non ha raggiunto ancora una soluzione
sistema notevole flessibilità operativa per sue
ottimale, ma proprio per questo essa rappreeventuali future applicazioni.
senta un tema sfidante e disruptive per le appliI campi di applicazione della trasmissione di
cazioni wireless del futuro.
energia senza fili sono sterminati; già ora, come
prima ricaduta applicativa
dei suddetti dimostratori,
alcune start-up internazionali si stanno orientando
alla realizzazione di caricatori senza fili per telefonini, notebook ed altri
dispositivi multimediali.
Infatti, l’integrazione di un
generatore di campo evanescente in una superficie
(tavoletta, scrivania od
altri supporti ergonomici)
rende possibile un’efficiente ricarica di qualunque dispositivo portatile
semplicemente appoggiandolo su di essa.
Sul medio termine, un
dispositivo ad onde evaFIGURA 8› A) Prototipo MIT per la trasmissione di energia a distanza; B) Prototipo TILab.
nescenti potrebbe risultare
impareggiabile nell’ovviare
all’uso delle batterie sia in
La trasmissione di energia senza fili effetambito outdoor che indoor con un positivo
tuata tramite risonatori ad alta efficienza in un
impatto in termini economici e manutentivi, ma
campo ad onde evanescenti è finalmente passoprattutto contribuendo a migliorare l’impatto
sata dalla fase concettuale a quella prototipale.
ecologico, tema assai caro a Telecom Italia già
Nella figura 8 A è visibile il dimostratore realizda tempo impegnata sul fronte del risparmio
zato presso il MIT (Massachusetts Institute of
energetico.
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BELLA › BELLIFEMINE • Il progetto Wireless Sensor Network in Telecom Italia
8. Conclusioni
La tecnologia delle Wireless Sensor Network
consente di incrementare la capacità di interazione dei dispositivi di elaborazione con il
mondo reale, riducendo in questo modo il divario
tra “mondo digitale” e “mondo fisico”. La capacità di raccogliere informazioni su di un
ambiente, senza richiedere la posa di cavi nè
sforzi di configurazione, ne consente l’impiego in
una variegata classe di applicazioni che, per la
difficoltà, il costo e i tempi richiesti dalle operazioni di cablaggio difficilmente sarebbero state
attivate.
Telecom Italia, da sempre attenta a cogliere
nuove opportunità offerte dalle tecnologie emergenti, ha attivato il progetto WSN, le cui principali attività sono state descritte in questo articolo. L’obiettivo ultimo del progetto è quello di
disegnare e prototipare gli snodi architetturali
rilevanti per l’operatore di telecomunicazione e
di sperimentare le piattaforme tecnologiche sviluppate tramite nuovi servizi a valore aggiunto.
Lo studio di problematiche di risparmio energetico, l’uso di strumenti open source, lo studio di
tecnologie battery-less evidenzia come il progetto abbia messo in primo piano, oltre al puro
aspetto di business, l’uso della tecnologia finalizzata a migliorare la qualità della vita e a tutelare l’ambiente.
Per motivi editoriali, l’elenco degli autori di questo articolo non include tutti i componenti del
gruppo di progetto. Ad essi, e ai responsabili di
struttura, è d’obbligo un ringraziamento per i suggerimenti, gli algoritmi, le specifiche, gli sviluppi di
software, firmware e hardware da cui questo articolo
ha tratto spunto e soprattutto per il loro contributo
ad un sereno ed efficace clima lavorativo di continuo
confronto.
[email protected]
[email protected]
—
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Sangiovanni-Vincentelli “A Framework for Creating
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BELLA › BELLIFEMINE • Il progetto Wireless Sensor Network in Telecom Italia
— ACRONIMI
•
R. Jafari, et al., “Wireless Sensor Networks for Health
Monitoring”. In Proc. of the 2nd Annual International
Conference on Mobile and Ubiquitous Systems:
Networking and Services, 2005 (MobiQuitous 2005),
pp. 479-481, San Diego (CA), July 17-21, 2005.
•
Valter Bella, “Onde evanescenti e trasmissione di energia
senza fili”, Notiziario Tecnico Telecom Italia, n. 3 -2007
•
Valter Bella, “Overview of the state of the art on energy
scavenging”, Telecom Italia - DPR 2007.00059
•
Elisa Alessio – Maura Turolla, “ZigBee standard di trasmissione emergente: una rivoluzione in atto?”,
Notiziario tecnico Telecom Italia, n. 1 – 2006.
Va l t e r B e l l a si è diplomato in
Telecomunicazioni e laureato in Fisica. Si è
occupato, presso il Centro Ricerca di
Telecom Italia, di microelettronica,
partecipando a numerosi progetti di ricerca in
ambito nazionale ed europeo. Dal 2006 è
attivo, presso la funzione “Research &
Trends”, sul tema delle reti di sensori wireless
con particolare riferimento alla parte radio ed
alle tecnologie batteryless quali l’energy
scavenging e la wireless power transmission. È autore di molte
pubblicazioni e brevetti internazionali.
Fabio Bellifemine in Telecom Italia dal
1994 (prima al CNR), è responsabile del
progetto WSN (Wireless Sensor Networks)
di Telecom Italia Research Projects. È senior
member di IEEE e membro del Comitato
Tecnico Distributed Intelligent Systems di
IEEE SMC Society. In passato è stato attivo
nel campo della tecnologia degli agenti
software, dove ha lanciato il progetto Open
Source JADE e il JADE Governing Board e
guidato il FIPA Architecture Board.
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BSN
EECS
FFD
GPRS
GSM
RFD
GAL
GUI
ITU
J2EE
MAC
MIT
PDA
REST
RMI
SC
SM
SOA
SOAP
SPINE
UCB
VAS
WBAN
WLAN
WMAN
WPAN
WSN
WSN-C
WWAN
Body Sensor Network
Electrical Engineering and Computer Sciences
Full Function Device
General Packet Radio Service
Global System for Mobile
Reduced Function Device
Gateway Abstraction Layer
Graphical User Interface
International Telecommunication Union
Java 2 Enterprise Edition
Medium Access Control
Massachusetts Institute of Technology
Personal Digital Assistant
REpresentational Transfer State
Remote Method Invocation
Service Center
Short Message
Service Oriented Architecture
Simple Object Access Protocol
Signal Processing In Node Environment
Università della California a Berkeley
Value Added Service
Wireless Body Area Network
Wireless Local Area Network
Wireless Metropolitan Area Network
Wireless Personal Area Networks
Wireless Sensor Network
Wireless Sensor Network Center
Wireless Wide Area Network