Il progetto Wireless Sensor Network in Telecom Italia
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Il progetto Wireless Sensor Network in Telecom Italia
WSN 10-07-2008 9:23 Pagina 41 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 NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA › Anno 17 n. 2 - Agosto 2008 41 WSN 10-07-2008 9:23 Pagina 42 BELLA › BELLIFEMINE • Il progetto Wireless Sensor Network in Telecom Italia 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 42 NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA › Anno 17 n. 2 - Agosto 2008 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). WSN 10-07-2008 9:23 Pagina 43 BELLA › BELLIFEMINE • Il progetto Wireless Sensor Network in Telecom Italia 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. NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA › Anno 17 n. 2 - Agosto 2008 43 WSN 10-07-2008 9:23 Pagina 44 BELLA › BELLIFEMINE • Il progetto Wireless Sensor Network in Telecom Italia 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 44 NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA › Anno 17 n. 2 - Agosto 2008 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, ...). WSN 10-07-2008 9:23 Pagina 45 BELLA › BELLIFEMINE • Il progetto Wireless Sensor Network in Telecom Italia 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. NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA › Anno 17 n. 2 - Agosto 2008 45 WSN 10-07-2008 9:23 Pagina 46 BELLA › BELLIFEMINE • Il progetto Wireless Sensor Network in Telecom Italia 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. NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA › Anno 17 n. 2 - Agosto 2008 WSN 10-07-2008 9:23 Pagina 47 BELLA › BELLIFEMINE • Il progetto Wireless Sensor Network in Telecom Italia 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 NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA › Anno 17 n. 2 - Agosto 2008 47 WSN 10-07-2008 9:23 Pagina 48 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. 48 NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA › Anno 17 n. 2 - Agosto 2008 WSN 14-07-2008 8:46 Pagina 49 BELLA › BELLIFEMINE • Il progetto Wireless Sensor Network in Telecom Italia 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. NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA › Anno 17 n. 2 - Agosto 2008 49 WSN 14-07-2008 8:46 Pagina 50 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. 50 NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA › Anno 17 n. 2 - Agosto 2008 WSN 14-07-2008 8:46 Pagina 51 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] — BIBLIOGRAFIA • ITU “The Internet of Things” - www.itu.int/osg/spu/publications/internetofthings/ • ZigBee Alliance: www.zigbee.org/ • Borean Claudio, “Telecom Application Specification”, Telecom Italia - DPC 2007.01595 • Gaspardone Marco, “Prototipazione della piattaforma per le Wireless Sensor Networks (WSNC)”, Telecom Italia - DPC 2007.01601 • Genova Fernando, “KALEIDOS: Progettazione e realizzazione del sistema di monitoraggio di energia della Centrale Vanchiglia”, Telecom Italia - DPC 2007.00611. • “Progetto open source SPINE” - http://spine.tilab.com • R. Gravina, A. Guerrieri, S. Iyengar, F. Tempia, R. Giannantonio, F.L. Bellifemine, T. Pering, M. Sgroi, G. Fortino and A. Sangiovanni-Vincentelli, “Demo: SPINE (Signal Processing in Node Environment) framework for healthcare monitoring applications in Body Sensor Networks”, Proc. of the 5th European conference on Wireless Sensor Networks 2008 (EWSN’08), Bologna, Italy, Jan 30 – Feb 1, 2008 • Sameer Iyengar, Raffaele Gravina, Antonio Guerrieri, Filippo Bonda, Roberta Giannantonio, F.L. Bellifemine, Marco Sgroi, Giancarlo Fortino and Alberto Sangiovanni-Vincentelli “A Framework for Creating Healthcare Monitoring Applications Using Wireless Sensor Networks”, BodyNets08. • Pering, Trevor; Zhang,Pei; Chaudri, Rohit; Anokwa,Yaw; Want,Roy; ‘The PSI Board: Realizing a Phone-Centric Body Sensor Network” 4th International Workshop on Wearable and Implantable Body Sensor Network (BSN2007). Mar, 2007 • Roozbeh Jafari, Ruzena Bajcsy, Steven Glaser, Bruce Gnade, Marco Sgroi, “Platform Design for Health-care Monitoring Applications”. In Proc. of 2007 Joint Workshop On • “High Confidence Medical Devices, Software, and Systems (HCMDSS) and Medical Device Plug-and-Play (MD PnP) Interoperability (HCMDSS/MD PnP’07)”, Boston (MA), USA, June 25-27, 2007. • Roozbeh Jafari, Wenchao Li, Ruzena Bajcsy, Steven Glaser, Shankar Sastry, “Physical Activity Monitoring for Assisted Living at Home”. In Proc. of the 4th International Workshop on Wearable and Implantable Body Sensor Networks (BSN 2007), RWTH Aachen University, Germany, pp. 213-219, March 26-28, 2007. NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA › Anno 17 n. 2 - Agosto 2008 51 WSN 10-07-2008 9:23 Pagina 52 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. 52 NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA › Anno 17 n. 2 - Agosto 2008 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