L’IoT e il Cloud nei sistemi Smart Home

I sistemi per la Smart Home hanno raggiunto una grande popolarità negli ultimi decenni in quanto contribuiscono ad aumentare il comfort e la qualità della vita. La maggior parte dei sistemi domestici intelligenti è controllata da smartphone e microcontrollori. Applicazioni per smartphone sono utilizzate per controllare e monitorare le funzioni domestiche mediante tecniche di comunicazione wireless. In questo articolo analizzeremo il concetto di casa intelligente integrata da servizi IoT e cloud computing, da sensori e da attuatori intelligenti connessi in rete.

Introduzione

Casa intelligente classica, Internet delle Cose, cloud computing ed elaborazione di eventi basata su regole, sono gli elementi costitutivi del sistema integrato avanzato per la casa intelligente. Ogni componente contribuisce con i suoi attributi e le sue tecnologie principali. L'IoT contribuisce alla connessione ad Internet e alla gestione remota di dispositivi, integrati con una varietà di sensori. I sensori possono essere collegati ad elettrodomestici della casa, come i climatizzatori, l’impianto di illuminazione e altri dispositivi ambientali. Il computer viene impiegato nei dispositivi domestici per misurare le condizioni della casa e monitorare la funzionalità degli elettrodomestici. Il cloud computing fornisce potenza di elaborazione, spazio di archiviazione e applicazioni per lo sviluppo, la manutenzione, l'esecuzione di servizi domestici e l'accesso ai dispositivi ovunque e in qualsiasi momento. Il sistema di elaborazione degli eventi basato su regole fornisce il controllo e l'armonizzazione dell'intera composizione avanzata della casa intelligente.

La combinazione di tecnologie al fine di generare un prodotto migliore, appare già nella letteratura recente in vari modi. La fusione del cloud computing con l'IoT migliora la funzionalità dell'IoT stesso. Ad esempio: l’IoT integrato per l'utilizzo dei dati analizzati per eseguire in remoto i comandi degli elettrodomestici e librerie specifiche per preservare la privacy nelle applicazioni di traffic shaping degli elettrodomestici; il miglioramento degli algoritmi di apprendimento automatico per la sicurezza in un ecosistema domestico intelligente; l’utilizzo di sensori per rilevare in tempo reale gli incendi con elevata precisione. In questo articolo descriveremo una trattazione sull'integrazione della classica casa intelligente, l’IoT e il cloud computing. Partendo dall'analisi delle basi di smart home, IoT, cloud computing e sistemi di elaborazione degli eventi, ne descriveremo la loro complementarità e sinergia, analizzando in dettaglio cosa sta attualmente guidando questa integrazione. Vedremo anche ciò che è già disponibile in termini di piattaforme che implementano il paradigma di casa intelligente, cloud e IoT. Dal punto di vista della connettività, le applicazioni IoT e il cloud sono connesse a Internet e in questo contesto anche alla rete locale domestica. Queste connessioni completano la configurazione complessiva per una composizione completa unificata e interconnessa con una potenza di elaborazione estesa, potenti strumenti di terze parti, applicazioni complete e un ampio spazio di archiviazione.

La Smart Home classica

La casa intelligente è l'estensione della Home Automation in quanto prevede il controllo e l'automazione di tutta la sua tecnologia embedded con l’ausilio di Internet. Definisce l’intelligenza di una residenza che dispone di elettrodomestici, illuminazione, riscaldamento, aria condizionata, TV, computer, sistemi di intrattenimento, grandi elettrodomestici come lavatrici/asciugatrici e frigoriferi/congelatori, sistemi di sicurezza e telecamere in grado di comunicare tra loro e di essere controllate a distanza da un programma orario, telefono, cellulare e Internet. Questi sistemi sono costituiti da interruttori e sensori collegati a un hub centrale controllato dal residente tramite terminale a parete o unità mobile collegata a servizi cloud Internet. La casa intelligente fornisce sicurezza, efficienza energetica, bassi costi operativi e convenienza. L'installazione di prodotti intelligenti offre praticità e risparmio di tempo, denaro ed energia. Tali sistemi sono adattivi e regolabili per soddisfare le esigenze in continua evoluzione dei residenti. Nella maggior parte dei casi, la sua infrastruttura è abbastanza flessibile da integrarsi con un'ampia gamma di dispositivi di diversi fornitori e standard. L'architettura di base consente di misurare le condizioni domestiche, elaborare i dati strumentali, utilizzare sensori abilitati da microcontrollori per misurare le condizioni domestiche, e attuatori per monitorare e attivare i dispositivi integrati. La popolarità e la penetrazione del concetto di casa intelligente sta crescendo a un buon ritmo, poiché è diventata parte della modernizzazione e della riduzione dei costi. Ciò si ottiene incorporando anche la capacità di mantenere un registro eventi centralizzato, eseguire processi di apprendimento automatico per fornire valutazioni di costi e altri rapporti utili.

Misurare le condizioni della casa

Una tipica casa intelligente è dotata di un set di sensori per misurarne le condizioni come temperatura, umidità, illuminazione e prossimità di oggetti e persone. Ogni sensore è dedicato ad acquisire una o più misurazioni. La temperatura e l'umidità possono essere misurate da un sensore dedicato, altri sensori calcolano i lux del sistema di illuminazione in una data area e la distanza di ciascun oggetto esposto ad essa. Tutti i sensori consentono di memorizzare i dati in modo che l'utente possa visualizzarli ovunque e in qualsiasi momento. Per fare ciò, il sistema di monitoraggio include un elaboratore di segnali, un'interfaccia di comunicazione e un host su infrastruttura cloud.

La gestione degli elettrodomestici

E’ fondamentale creare il servizio cloud per la gestione degli elettrodomestici che saranno ospitati su un'infrastruttura cloud. Il servizio di gestione permette all'utente di controllare le uscite di attuatori intelligenti associati agli elettrodomestici, come ad esempio lampade e ventilatori. Gli attuatori intelligenti sono dispositivi che eseguono azioni di accensione o spegnimento di apparati o la regolazione di un sistema operativo. Gli attuatori forniscono una varietà di funzionalità come il servizio on/off di dispositivi, la modulazione per controllare le variazioni delle condizioni di flusso, l'arresto di emergenza (ESD). Per attivare un attuatore, viene inviato un comando di scrittura digitale.

Controllo degli accessi

Le tecnologie di accesso domestico sono comunemente utilizzate per le porte di accesso pubblico. Un tipico sistema utilizza un database con gli attributi di identificazione delle persone autorizzate. Quando una persona si avvicina al sistema di controllo degli accessi, gli attributi di identificazione della persona vengono raccolti immediatamente e confrontati con il database. Se corrisponde ai dati del database, l'accesso è consentito, altrimenti è negato. Per un edificio ampiamente distribuito, è possibile utilizzare servizi cloud per la raccolta centralizzata dei dati delle persone e il loro trattamento. Alcuni utilizzano carte di identificazione magnetiche o di prossimità, altri utilizzano sistemi di riconoscimento facciale, impronte digitali e wireless RFID. Ad esempio, in un sistema tipico di controllo accessi vengono utilizzati una scheda RFID e un lettore RFID. Ogni persona autorizzata ha una carta RFID personale. La persona che richiede l’accesso scansiona la carta sul lettore RFID situato vicino alla porta. L'ID scansionato viene inviato tramite Internet al sistema cloud che a sua volta invia l'ID al servizio di controllo. Il servizio di controllo confronta l'ID scansionato con gli ID autorizzati nel database.

I componenti principali

Figura 1: Architettura tipica della Smart Home classica

Per abilitare tutte le attività e la gestione dei dati della Smart Home classica, come si può vedere nella Figura 1, il sistema è composto da:

  • Sensori per raccogliere dati interni ed esterni e misurare le condizioni della casa. I sensori sono collegati ai dispositivi della casa. I dati dei sensori vengono raccolti e trasferiti continuamente tramite la rete locale al server della casa intelligente.
  • Processori per l'esecuzione di azioni locali e integrate. Possono anche essere connessi al cloud per applicazioni che richiedono risorse estese esterne. I dati vengono quindi elaborati dagli algoritmi di processo del server locale.
  • Software come API, per consentire ad applicazioni esterne di elaborare i dati dei sensori o gestire le azioni necessarie.
  • Attuatori per fornire ed eseguire comandi nel server o ad altri dispositivi di controllo. Durante l'elaborazione dei dati ricevuti dai sensori, l'applicazione controlla se qualche regola è diventata vera e in tal caso il sistema potrebbe lanciare un comando al processore del dispositivo appropriato.
  • Database per archiviare i dati elaborati raccolti dai sensori (e dai servizi cloud). Viene utilizzato anche per l'analisi dei dati, la presentazione e la visualizzazione dei dati. I dati elaborati vengono salvati nel database per un utilizzo futuro.

L’Internet delle Cose (IoT)

Il paradigma “Internet of Things” si riferisce ai dispositivi connessi a Internet. I dispositivi intelligenti sono oggetti (sensori e attuatori) dotati di un'interfaccia di comunicazione, un'unità di elaborazione, una memoria (seppur limitata) e applicazioni software integrate. L’IoT consente l'integrazione di oggetti in Internet, stabilendo l'interazione tra persone e dispositivi. La tecnologia chiave dell'IoT include l'identificazione a radiofrequenza RFID, la tecnologia dei sensori e la tecnologia di intelligenza. L'RFID è la base e il nucleo di rete della costruzione dell'IoT. Le sue capacità di elaborazione e comunicazione, insieme ad algoritmi unici, consentono l'integrazione di una varietà di elementi per operare come un'unità integrata, ma allo stesso tempo consentono un facile inserimento e rimozione di componenti con il minimo impatto, rendendo l'IoT robusto ma flessibile per assorbire i cambiamenti nell'ambiente e le preferenze dell'utente. [...]

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