Nelle città moderne, la gestione efficiente degli spazi pubblici è cruciale. Con reti di sensori wireless (WSN) e l’uso di tecnologie IoT avanzate dotate di Machine Learning e AI, è possibile prendere decisioni più rapide e sicure, trasformando ogni smart city in un ecosistema innovativo e connesso. In questo scenario, le schede Arduino Nicla offrono soluzioni compatte, flessibili e scalabili per monitorare parametri ambientali, movimenti e attività umane, rendendo possibili applicazioni di sensor fusion in tempo reale. Queste soluzioni sono, infatti, in grado di raccogliere ed elaborare dati autonomamente o, in alternativa, di interfacciarsi con le schede Arduino Portenta, che possono fungere da gateway. In questo articolo, osserveremo alcune diverse soluzioni di nodi realizzate con la famiglia Arduino Nicla.
Introduzione
Con l’aumento della popolazione urbana e la crescente pressione sulle infrastrutture, le città necessitano di strumenti in grado di monitorare l’occupazione e l’utilizzo delle aree pubbliche, come parchi, piazze e spazi di ritrovo. I sistemi di monitoraggio basati su reti di sensori permettono di raccogliere dati in tempo reale su una varietà di parametri, tra cui la presenza e l’attività umana, i livelli di rumore e le condizioni ambientali, creando un quadro dettagliato e dinamico dell’utilizzo degli spazi urbani. Per progettare una rete di sensori ed un sistema di sensor fusion per applicazioni di Smart City, è essenziale definire una rete composta da nodi sensoriali distribuiti (periferici) e nodi di elaborazione centrale per la gestione delle informazioni. In questo sistema, le schede Arduino Nicla fungono da nodi sensoriali che raccolgono dati ambientali, di sicurezza e di traffico, mentre le schede Arduino Portenta servono da unità centrali per l'elaborazione avanzata, applicando algoritmi di Intelligenza Artificiale e gestendo l'integrazione dei dati provenienti dai nodi periferici. La rete si basa quindi su una combinazione di diversi tipi di nodi sensoriali e di nodi di elaborazione, ciascuno progettato per una specifica funzione. Le schede Nicla sono selezionate in base al tipo di dati che ogni nodo deve raccogliere, sfruttando le loro caratteristiche di dimensioni compatte, basso consumo energetico e sensori integrati. I dati vengono quindi trasmessi tramite protocolli di comunicazione a basso consumo a nodi centrali basati su schede Portenta, che raccolgono, elaborano e interpretano le informazioni per prendere decisioni in tempo reale o per fornire dati utili alle autorità cittadine.
Nodi della WSN per Smart Cities basati su Arduino Nicla
All’interno delle smart cities, spesso i nodi della WSN sono posizionati su infrastrutture urbane già esistenti, come i pali della luce. Questo approccio non solo riduce l’impatto dei sistemi ma ne assicura anche la sostenibilità nel lungo periodo, rendendoli adatti per l'implementazione diffusa nelle aree urbane. In questo scenario, la famiglia Arduino Nicla si distingue come piattaforma avanzata per lo sviluppo di progetti basati su sensor fusion e Intelligenza Artificiale. Le schede Nicla sono state progettate per semplificare l'integrazione dei sensori e l'elaborazione dei dati direttamente sul dispositivo. La loro caratteristica principale è l'ottimizzazione per applicazioni portatili e alimentate a batteria, grazie ad un design compatto e ad un consumo energetico ridotto.
Le schede Nicla, inoltre, supportano Machine Learning on the edge, una caratteristica fondamentale per applicazioni in cui la velocità e l’affidabilità dell’analisi dei dati sono cruciali. Nicla Sense ME, ad esempio, può eseguire modelli di Intelligenza Artificiale per il rilevamento e la classificazione di movimenti e condizioni ambientali in tempo reale, consentendo di prendere decisioni rapide e reattive direttamente sul dispositivo. Nicla Sense Env, con l'integrazione di sensori specifici per la misura della qualità dell'aria, è ideale per monitorare i parametri ambientali di vaste aree urbane o all'interno di contesti industriali. Nicla Vision, con la sua fotocamera integrata, è ideale per applicazioni di visione artificiale come il riconoscimento facciale e l’identificazione degli oggetti, mentre Nicla Voice supporta il riconoscimento vocale always-on, consentendo la creazione di assistenti vocali e sistemi di controllo tramite comandi vocali. Queste capacità di elaborazione locale offrono numerosi vantaggi, come la riduzione della latenza e una maggiore sicurezza, poiché i dati possono essere analizzati senza essere trasmessi a server esterni.
Le dimensioni compatte della famiglia Nicla rappresentano una caratteristica distintiva e fondamentale. Le schede misurano appena 22.86 mm per lato, e questo le rende ideali per applicazioni portatili e per ambienti in cui lo spazio è limitato, come dispositivi indossabili, sensori ambientali compatti e robot miniaturizzati: possono, infatti, essere integrate in progetti in cui il volume e il peso devono essere minimi, senza compromessi in termini di potenza o funzionalità. Inoltre, questa compattezza è particolarmente utile in progetti IoT distribuiti, dove le unità di rilevamento possono essere posizionate in vari punti per coprire ampie aree di monitoraggio, mantenendo basso il peso e riducendo i costi di implementazione e manutenzione.
Di seguito, andremo ad osservare alcune soluzioni di realizzazione di nodi periferici per la nostra WSN introducendone alcuni aspetti teorici e le caratteristiche per realizzare il progetto.
Monitoraggio della Qualità dell'Aria
In una Smart City, monitorare la qualità dell’aria è fondamentale per il benessere dei cittadini e per ridurre l’inquinamento. Utilizzando Nicla Sense Env si possono rilevare inquinanti atmosferici attraverso sensori integrati di gas e di umidità, elaborando dati che riflettono l’Indice di Qualità dell’Aria (AQI). I dati raccolti vengono processati in tempo reale grazie alla fusione di dati ambientali con tecniche di filtraggio avanzate. Per questa applicazione, di sicuro interesse è Nicla Sense Env:
- Sensori integrati: HS4001 (relative humidity and temperature sensor) + ZMOD4510AI1V (Gas sensor NO2 e calcoli di Air Quality all'aperto).
- Sensori aggiuntivi: Sensori di particelle PM2.5 e PM10.
- Potenzialità: Ideale per monitorare l’inquinamento in zone urbane dense, con connessione LoRa per l’invio dei dati a lungo raggio. Nicla Sense Env necessita di lavorare in combinazione con le schede della famiglia Portenta o una soluzione MKR.
Rilevamento del Rumore Ambientale
Nicla Voice è perfetta per monitorare i livelli sonori nelle aree urbane. Dotata infatti di microfoni MEMS, la scheda può acquisire suoni in tempo reale e generare avvisi in caso di superamento delle soglie di rumorosità. La sensor fusion con il filtro a densità di potenza consente un’elaborazione precisa dei livelli acustici.
- Sensori integrati: Microfoni MEMS omnidirezionali
- Sensori aggiuntivi: Sensori esterni di pressione per compensazione acustica
- Potenzialità: Ottimo per la regolazione del rumore in spazi pubblici e in zone residenziali, abbinabile ad una scheda Portenta per elaborazioni avanzate e individuazione di situazioni come incidenti, traffico, pericoli.
Monitoraggio della Qualità dell’Acqua
Per controllare la qualità delle acque urbane in aree pubbliche o bacini artificiali, Nicla Sense ME può essere utilizzata per monitorare temperatura, pressione e gas disciolti. L’analisi della fusione dei dati permette di monitorare le variabili ambientali e inviare avvisi in caso di cambiamenti critici nei parametri.
- Sensori integrati: BME688 per parametri ambientali quali temperatura e umidità relativa
- Sensori aggiuntivi: Sensori di pH e di ossigeno disciolto
- Potenzialità: Abbinata a un gateway LTE, garantisce una comunicazione continua in zone remote, utile per il monitoraggio delle condutture e l'individuazione delle sorgenti di inquinamento.
Gestione Intelligente dei Rifiuti
I cassonetti intelligenti integrati con Nicla Sense ME possono rilevare gas e livelli di riempimento per ottimizzare la raccolta dei rifiuti. Il sistema consente di ridurre i costi operativi e le emissioni, migliorando l’efficienza della gestione dei rifiuti urbani con raccolte mirate.
- Sensori integrati: BME688 per gas e temperatura
- Sensori aggiuntivi: Sensori di peso e infrarossi per livello di riempimento dei cassonetti
- Potenzialità: Ottimo per ottimizzare i percorsi di raccolta tramite analisi predittiva. Attraverso l'elaborazione centralizzata è possibile calcolare i percorsi dei mezzi di raccolta in funzione del riempimento e del traffico.
Monitoraggio della Sicurezza Strutturale
Grazie alle caratteristiche dei sensori a bordo, Nicla Sense ME è perfetta anche per realizzare soluzioni di monitoraggio strutturale per ponti ed edifici. Il rilevamento di vibrazioni e inclinazioni consente di identificare anomalie, prevenendo guasti strutturali. La fusione di dati con tecniche di analisi spettrale e FFT rende il monitoraggio preciso e affidabile. Inoltre, attraverso la rete WSN è possibile rilevare in tempo reale sismi e terremoti garantendo rapidi e mirati interventi dei soccorsi.
- Sensori integrati: IMU BHI260AP (accelerometro e giroscopio)
- Sensori aggiuntivi: Sensori di posizione GPS per il posizionamento assoluto
- Potenzialità: Utilizzabile in progetti di smart monitoring di infrastrutture, integrabile con Portenta per l’elaborazione continua dei dati.
Sorveglianza e Sicurezza Pubblica
Con Nicla Vision, questo progetto consente di monitorare aree urbane per garantire sicurezza e sorveglianza. Il sistema può riconoscere volti e rilevare comportamenti sospetti utilizzando CNN per il riconoscimento facciale.
- Sensori integrati: Fotocamera da 2 MP, sensore ToF
- Sensori aggiuntivi: LED IR per visione notturna
- Potenzialità: Abbinata a Portenta per elaborazione distribuita in aree critiche
Nodi di Elaborazione Centrale basati su Arduino Portenta
All'interno delle WSN, i nodi di elaborazione centrale hanno una funzione di aggregazione e interpretazione dei dati. Questo ruolo è reso possibile attraverso algoritmi di fusione dei dati che combinano informazioni provenienti da fonti diverse per ottenere una visione completa e dettagliata dell’ambiente urbano. Un esempio è il monitoraggio della qualità dell’aria: i dati provenienti dai nodi periferici che rilevano inquinanti e parametri ambientali possono essere analizzati per identificare aree a rischio di inquinamento e prevedere l’evoluzione della qualità dell’aria nel tempo. Gli algoritmi di fusione dei dati permettono di ottenere una comprensione più accurata rispetto alla semplice somma dei dati grezzi, riducendo il rumore e aumentando la precisione. Nella progettazione della nostra rete di sensori per Smart Cities abbiamo deciso di utilizzare le schede Arduino Portenta per realizzare i nodi di elaborazione centrale. Le schede Portenta sono molto flessibili e versatili e forniscono innumerevoli funzionalità di elaborazione e connettività. Un aspetto fondamentale dei nodi di elaborazione basati su Portenta è la loro capacità di eseguire algoritmi di Machine Learning on-edge, sfruttando le librerie TensorFlow Lite per microcontrollori e altri strumenti per l’elaborazione avanzata di dati. Con queste librerie, il nodo Portenta può analizzare grandi moli di dati e riconoscere pattern complessi, ad esempio prevedendo picchi di inquinamento o identificando anomalie nella rete energetica cittadina. Le capacità di Machine Learning permettono di implementare sistemi di manutenzione predittiva, ideali per infrastrutture critiche come ponti, strade e reti idriche. Grazie all’analisi in tempo reale, il sistema può intervenire in modo proattivo e ridurre i costi di manutenzione, evitando guasti e malfunzionamenti.
Con le schede Arduino Portenta possiamo ipotizzare di realizzare i seguenti nodi di elaborazione.
- Analisi della Qualità Ambientale - Il nodo riceve i dati di qualità dell'aria e del rumore dai nodi Nicla distribuiti e applica algoritmi di Machine Learning per identificare tendenze e anomalie. Attraverso una piattaforma IoT collegata alla scheda Portenta, le autorità cittadine possono monitorare la qualità ambientale e reagire a situazioni critiche, come il superamento dei livelli di inquinamento.
- Sicurezza Integrata - Il nodo raccoglie e analizza i dati di sicurezza e sorveglianza provenienti dai nodi Nicla Vision. Utilizzando tecniche di riconoscimento facciale e di analisi del movimento, il nodo Portenta identifica attività sospette e coordina le risposte di sicurezza in tempo reale. Attraverso integrazioni con sistemi di allarme e forze dell’ordine, il nodo può attivare segnalazioni e coordinare l’intervento tempestivo.
Conclusioni
Il sistema di sensor fusion per Smart City progettato con nodi Nicla e nodi Portenta permette una gestione avanzata e integrata delle risorse cittadine, migliorando la qualità della vita e l’efficienza dei servizi pubblici. La famiglia Arduino Nicla offre una soluzione di monitoraggio compatta e precisa grazie all'integrazione dei sensori a bordo, oltre che economica grazie all'ottimo rapporto tra prestazioni e dotazione hardware. Oltretutto, l'integrazione delle funzionalità di sensor fusion con i nodi Portenta consente l’analisi avanzata e il coordinamento delle risposte, rendendo la Smart City un ecosistema connesso, sicuro e sostenibile.
