Scuola Politecnica e delle Scienze di Base Corso di Laurea in Ingegneria Informatica Elaborato finale in Reti di Calcolatori

Tecnologie per Smart City e Smart Mobility Anno Accademico 2013-2014 Candidato: Costantino Alessandro Ilardo matr. N46/000155

A mia mamma Olimpia, centro dei miei pensieri…

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Indice Introduzione 4

Capitolo 1. Panoramica sulle Tecnologie Smart City e Smart Mobility 6

1.1 ICT 7 1.1.1 Internet of Things 8 1.1.2 Infrastrutture di comunicazione 9 1.2 Cloud Computing & GRID Computing

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1.2.1 Tecnologie che si avvalgono di Cloud Computing: NFC e RFId 12 Capitolo 2. Reti di sensori e sistemi di trasporto intelligenti 15

2.1 Wireless Sensor Network 15 2.1.1 Un protocollo usato nelle WSN: ZigBee 17 2.2 Intelligent Transport System 19

Capitolo 3. Esempi di tecnologie Smart City e Smart Mobility 21

3.1 Street Light Telemetry 21 3.2 Plug-in Electric Vehicle 23

Conclusioni 26 Ringraziamenti 27 Bibliografia 28

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Introduzione

La seguente tesi si propone di analizzare le tecnologie abilitanti gli scenari Smart City e Smart

Mobility: questi due concetti, ormai, permeano articoli di giornali, dibattiti televisivi e ricerche

universitarie, perché sono la nuova frontiera della modernizzazione dei centri urbani.

L’obiettivo ultimo di questa novità è quello di offrire alle persone una vasta gamma di servizi, in

grado di agevolare la vivibilità della città in termini di trasporto, risparmio energetico e qualità

dell’aria.

La “città intelligente”, di cui la “mobilità intelligente” è una delle componenti più importanti, deve

disporre necessariamente di risorse hardware e software per far sì che il cittadino si possa sentire

parte integrante dell’evoluzione del luogo in cui risiede.

Il primo capitolo, infatti, introduce una classificazione di tali tecnologie, ponendo particolare

attenzione alle quelle relative agli ambiti dell’informazione e della comunicazione, di cui fanno

parte le infrastrutture di comunicazione e l’Internet of Things; successivamente, viene poi

esaminato il Cloud Computing, strettamente correlato al GRID Computing, con una disquisizione

sulle tecnologie Near Field Comunication e Radio Frequency Identification.

Nel secondo capitolo, verranno inquadrate teoricamente due tecnologie utili per

l’implementazione di applicazioni Smart City e Smart Mobility: Wireless Sensor Network e

Intelligent Transport System.

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In particolare, riguardo le reti wireless di sensori verrà illustrato un protocollo di funzionamento,

ZigBee, approfondendo i motivi della nascita di tale standard e aspetti riguardanti le reti mesh,

come l’instradamento dei pacchetti.

Inoltre, sarà illustrato il cosiddetto ITS, cioè il sistema intelligente di trasporto che si può

ulteriormente suddividere in 5 sottocategorie relative al trasporto pubblico e privato, di persone o

di merce.

Infine, nel terzo capitolo sono riportati due esempi concreti di risorse che consentono di rendere

smart una città e la sua mobilità: il primo esempio riguarda la possibilità di illuminazione on-

demand da parte di un utente, mentre il secondo esempio si sofferma, piuttosto, sui veicoli

alimentati con corrente elettrica.

Figura 1. Smart Integration

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Capitolo 1

Panoramica sulle tecnologie applicate a scenari Smart City e Smart Mobility

Le tecnologie adoperate per implementare applicazioni Smart City e Smart Mobility rendono

effettiva e tangibile una trasformazione della città in un organismo vivente, costituito da strati

collegati gerarchicamente e funzionalmente; tali strati si possono, così, sintetizzare:

il primo strato riguarda un contatto diretto fra cittadini e territorio, costituito da apparrecchiature in

grado di acquisire, ricevere e trasmettere dati: smartphone, rilevatori, attuatori, videocamere e

dispositivi di varia natura.

Tale livello rappresenta la vera innovazione, in quanto coinvolge l’uomo in una partecipazione

straordinaria nel controllo delle attività funzionali.

Il secondo strato, invece, è legato all’aspetto comunicativo di tali mezzi, ed è formato da una serie

di reti comunicanti attraverso onde che consentono la circolazione dei dati, in modo da

aumentarne le prestazioni e diminuirne i costi.

Infine, il terzo strato, relativo all’elaborazione ed alla memorizzazione, è rivolto a produrre una

situazione di real time government, realizzato anche grazie alle importanti risorse disponibili in

Cloud Computing, che permettono di gestire le informazioni lontano dagli apparati hardware.

A questo ultimo livello è possibile fare una distizione fra software verticali ed sofware

orizzonatali: i software verticali sono indirizzati verso uno specifico servizio, per esempio

monitoraggio dei trasporti, telesorveglianza, viabilità, mentre le applicazioni

orizzontali sono quelle atte all’integrazione ed all’analisi dei dati che consentono di governare il

sistema (general-purpose).

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1.1 ICT

L’acronimo ICT sta per Information and Communication Technology, ossia Tecnologia per la

Comunicazione e per l’Informazione e consiste nell’insieme delle operazioni ovvero dei sistemi

di invio e ricezione di informazioni, volti a potenziare le attività relative al trattamento, alla

trasmissione, alla sicurezza ed al recupero dei dati.

Le tecnologie ICT permettono, dunque, di raccogliere dati da una moltitudine di fonti diverse,

in maniera costante e continua; inoltre, possono interagire con la città o con gli utenti gestendo

una grande quantità di informazioni nel miglior modo possibile.

Ed è proprio in questo scenario che si inserisce perfettamente la modernizzazione della struttura

urbana, attraverso l’uso di applicazioni e software che facilitano la vivibilità di una determinata

area geografica.

Nell’ambito della mobilità eco-sostenibile è possibile, infatti, sfruttare le potenzialità delle

applicazioni ICT con una doppia valenza: da un lato, è utile usare tali innovazioni per risolvere

problemi tecnici, quali ad esempio ottimizzazione del trasporto di persone e merci,

progettazione e personalizzazione dei servizi di modalità pubblica; dall’altro, invece, risulta

conveniente per l’inserimento di strumenti di divulgazione e promozione nell’ambito delle

stesse piattaforme tecnologiche.

Figura 2. Information and Comunication Technology

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1.1.1 Internet of things

L’espressione “Internet of things” descrive un nuovo paradigma, in cui il mondo virtuale delle

ICT è fortemente legato al mondo reale delle cose; in effetti, l’IoT si propone come

un’infrastruttura di rete globale e dinamica in grado di autoconfigurarsi sulla base di protocolli

standard ed interoperabili, nella quale gli oggetti fisici e gli oggetti virtuali (i cosiddetti Smart

Objects) posseggono uno o più funzionalità in materia di:

1) self-awareness, ossia di identificazione univoca, capacità di localizzazione e diagnosi di

stato per il corretto funzionamento dell’oggetto ;

2) interazione con l’ambiente circostante, cioè acquisizione dati in modo da impartire al

sistema comandi da remoto;

3) elaborazione dati, ovvero la manipolazione del dato primitivo raccolto e vere e proprie

analisi statistiche e previsioni.

Naturalmente a queste funzionalità occorre aggiungere agli “oggetti intelligenti” un’ampia

capacità di connessione (wired o wireless) per poter costruire, infine, una “Network of Things”.

Questa rete sta alla base dei contesti Smart City e Smart Mobility a cui si può applicare

l’Internet delle cose: raccolta dei rifiuti, rete viaria e gestione del traffico, entertainment e

servizi turistici sono solo alcuni dei possibili scenari in cui adoperare questo paradigma.

L’architettura di una “Network of Things” su cui si può basare l’implementazione di software

pro-Smart è articolata su tre livelli ben distinti:

1) il primo livello è l’interfaccia con il mondo fisico che consiste essenzialmente nella

interazione tra un elevato numero di nodi (tag o unità sensoriali) con l’ambiente esterno,

fornendo un codice identificativo, ricevendo informazioni e impartendo ordini ad un attuatore;

questi nodi sono tipicamente alimentati da una batteria, ma sono generalmente provvisti di una

bassa capacità di storage; inoltre, per scambiare messaggi con le entità di secondo livello,

posseggono specifici meccanismi di comunicazione;

2) il secondo livello è quello della mediazione, di cui fanno parte gateway e lettori di tag Radio

Frequency Identification (RFId); questi device devono sostanzialmente inglobare tutti i dati

ricevuti dai dispositivi di primo livello e smistarli verso le componenti di terzo livello;

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in aggiunta, sono caratterizzati da una maggiore capacità di memoria e la loro alimentazione si

basa fondamentalmente sulla distribuzione fissa.

3) il terzo livello è quello del centro di controllo, di cui fanno parte i sistemi centralizzati e le

sale operative, basilari per ricevere dalle unità di mediazione informazioni utili per la messa in

fruibilità dei dati.

1.1.2 Infrastrutture di comunicazione

L’infrastruttura di comunicazione è certamente l’elemento più incisivo per lo

sviluppo e la progettazione delle Smart City e delle Smart Mobility; senza di essa, non può

avvenire lo scambio di informazioni fra gli end-user ed il sistema.

Fino ad oggi, i canali di comunicazione utilizzati per la gestione remota del traffico e degli

spazi urbani erano stati costruiti su infrastrutture private, di proprietà esclusivamente delle

utilities.

Questi canali erano formati da un mix di tecnologie (cavi di rame, fibra ottica, Power line

Communication) altamente costose per i loro proprietari, costretti a tali spese per garantire

l’affidabilità e l’efficienza dei servizi proposti.

Successivamente, con l’arrivo delle Smart City e delle Smart Mobility, l’approccio richiesto

per le infrastrutture è radicalmente cambiato: infatti, si sente sempre più l’esigenza di avere

poche linee a lunga distanza per una diffusione capillare dei punti comunicanti.

Figura 3. Applicazioni dell’Internet of Things

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L’espandersi delle reti di comunicazione ha visto il protocollo IP diffondersi

esponenzialmente, perché permette di lavorare con mezzi eterogenei: infatti riesce a collegare

reti Wireless Fidelity (WiFi) con reti WorldWide Interoperability for Microwave Access

(WiMAX), stazioni radio con PLC, creando un’unica network technology capace di

supportare applicazioni di diverso genere, senza dover apportare particolari modifiche ai

protocolli di basso livello.

Parallelamente al progressivo aumento del protocollo IP, c’è stata una notevole diffusione

delle connessioni a banda larga sia per quanto riguarda aziende pubbliche e private come

ospedali, biblioteche e musei, sia per quanto concerne l’ambito privato come abitazioni,

negozi ed attività commerciali.

I vincoli principali che incidono sull’utilizzo di un’infrastruttura di rete condivisa riguardano

soprattutto la qualità e l’operatività del servizio; i requisiti da soddisfare per offrire un corretto

funzionamento dei software Smart City e Smart Mobility sono:

• Banda o Throughput: misurata in bit/s , rappresenta la quantità di dati trasmessi con

successo nell’unità di tempo su un link o su una connessione;

• Tempo di Latenza: misurata generalmente in millisecondi, è la somma di tre

componenti dovute alla propagazione del segnale, all’elaborazione dei nodi ed ai

ritardi dovuti all’accodamento in diversi punti della connessione;

• Affidabilità : misurata in percentuale, è uguale al rapporto fra tempo di funzionamento

e tempo totale ed indica, su scala temporale, quanto il sistema è in grado di soddisfare

una determinata richiesta.

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1.2 Cloud Computing & GRID Computing

Le due espressioni Cloud Computing e GRID Computing hanno due accezioni affini ma

differenti fra loro: infatti, per cloud computing (letteralmente, nuvola informatica) si fa

riferimento ad un insieme di tecnologie non solo hardware ma anche software che consentono,

mediante un servizio offerto da un provider, di archiviare ed elaborare dati (attraverso CPU o

algoritmi vari) inseriti in rete in un modello tipico client-server.

Il GRID Computing (in italiano, griglia informatica), invece, si basa fondamentalmente su una

serie di computer (abitualmente server), che interconnessi fra loro grazie alla rete Internet,

condividono e sfruttano la loro potenza di calcolo per la gestione di una grande quantità di dati.

La combinazione di cloud e grid è certamente una delle tecnologie emergenti più importanti nel

panorama delle smart city e smart mobility: tramite queste due tecnologie, è possibile utilizzare

la rete Internet per favorire la condivisione di dati e simulare, in maniera intelligente, un

imponente computer virtuale che mette a disposizione le proprie risorse partendo da sistemi

disomogenei collegati fra loro.

Figura 4. Cloud Computing

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In questo modo la potenza computazionale viene resa disponibile “on demand”, e ciò riduce

fortemente costi e sprechi; inoltre, i sistemi Cloud rappresentano per le smart city e per le smart

mobility un ambiente nel quale le risorse di calcolo e di immagazzinamento dati sono condivise

fra gli utenti e ciò garantisce la scalabilità delle risorse e lo sviluppo di servizi di

contabilizzazione del loro utilizzo.

La scalabilità delle applicazioni a supporto dei contesti Smart City e Smart Mobility può essere

di due tipi:

� orizzontale, se raddoppiando il numero di server che ospitano un determinato servizio

si ottiene quasi un esatto raddoppio dei potenziali end-user; tale soluzione è utile se il

numero di utenti cresce a dismisura e si avvale del load balancing per smistare al

meglio il carico di lavoro dei nodi;

� verticale, se è possibile accrescere le capacità operative agendo direttamente sui

componenti hardware del nodo, ottenendo, in questo modo, una maggiore potenza per

soddisfare le esigenze impellenti.

1.2.1 Tecnologie che si avvalogono di Cloud Computing: NFC e RFId

NFC (Near Field Comunication) è una tecnologia di trasmissione dei dati a corto raggio

mediante onde radio ad alta frequenza; molti sistemi cloud si basano su questa modalità di invio

e ricezione dati perché unisce due concetti: l’identificazione automatica contactless e wireless

networking.

La tecnologia primaria di identificazione automatica contactless è la Radio Frequency

Identifcation (RFId): rappresenta un supporto fondamentale per l’NFC, poiché attinge da questa

la possibilità di leggere circuiti integrati passivi applicabili ad edifici, veicoli, persone e perfino

animali.

Questi circuiti contengono i cosiddetti tag, ossia attributi descrittivi e non solo dell’oggetto o

essere vivente a cui è applicato.

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Nell’ambito delle Smart City e Smart Mobility, uno specifico device reader, grazie al RFId, è

in grado di creare e modulare un campo di onde radio con frequenze che possono andare dai

125 KHz ai 5,8 GHz; per via di questo campo si possono inviare a diverse distanze, anche

nell’ordine di decine di metri, una specifica richiesta di informazioni ad un circuito integrato il

quale, dotato di antenna e memoria non volatile, modulerà sul medesimo campo di onde radio

la risposta richiesta dal reader.

NFC è un sottinsieme dell’RFId, in quanto come dispositivo reader si adopera solamente lo

smartphone e non utilizza l’intero spettro di frequenze, bensì soltanto la frequenza radio di

13,56 MHz per leggere tag ad una distanza massima di 10 centimetri.

Dalle tecnologie wireless di networking, come il WiFi ed il Bluetooth, invece, l’NFC ottiene

velocemente lo scambio di informazioni fra due smartphone in modalità peer-to-peer, con la

principale novità che per eseguire tale operazione è necessario avvicinare i dispositivi e non

occore, dunque, ricorrere a lunghe attese per le fasi di autenticazione e ricerca.

Alcune delle principali applicazioni del Near Field Comunication, e quindi del Radio

Frequency Identification, per scenari Smart City e Smart Mobility sono:

� eCommerce

• Mobile Payment: grazie allo smartphone è possibile emulare una carta di

credito in circolazione ed effettuare un pagamento presso un qualsiasi punto

vendita dotato di una postazione contactless oppure presso i distributori abilitati

all’NFC;

• Smart Poster: accostando il proprio dispositivo ad uno Smart Poster si possono

raggiungere informazioni utili per agevolare la vivibilità di una determinata area

geografica come tabelle di orari dei treni, apertura e chiusura di musei e

biblioteche e localizzazione di punti vendita;

• Ticketing: grazie alla modalità Mobile Remote Payment è possibile acquistare

biglietti per viaggiare in aereo o in treno, per entrare in musei o al cinema,

insomma per qualsiasi evento tramite la connessione WAP del proprio

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smartphone e, mediante NFC, convalidarlo o presso un addetto munito di

validatrice oppure presso una postazione automatica;

• Boarding Pass: un device dotato NFC può funzionare, in modalità card

emulation, come carta d’imbarco, riducendo non solo sprechi di tempo per le

code ai check-in, ma anche costi per il personale nel caso in cui i passeggeri

abbiano la facoltà di identificarsi presso un controllo degli accessi

automatizzato;

� Identity documents:

• Rental car and hotel keys: per evitare perdite di tempo, NFC consente di

ottenere una chiave virtuale di un’auto o di un hotel; avvicinando il proprio

smartphone alla serratura, che supporta tale tecnologia, è possibile dirigersi

direttamente verso il luogo o verso l’oggetto desiderato senza ulteriori passaggi;

• ID card : in pratica, uno smartphone può simulare in modalità card emulation

qualsiasi documento di riconoscimento come una tessera studente, un badge di

un lavoratore-dipendente, un passaporto o una patente;

� Connections:

• WiFi : alcuni router sono abilitati all’utilizzo dell’NFC e ciò semplifica

notevolmente la fase di autenticazione, perché basta accostare il proprio device

al router per connettersi alla rete;

• Bluetooth: mettendo a contatto due dispositivi con NFC si effettua il pairing

istantaneo del Bluetooth, risparmiando sia tempo sia le fasi di ricerca,

autenticazione e inserimento password.

Figura 5. Esempio di funzionamento della tecnologia NFC

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Capitolo 2

Reti di sensori e sistemi di trasporto intelligenti

Adesso è possibile entrare nel dettaglio di alcune tecnologie basate su dispositivi come sensori

e attuatori; un sensore è uno strumento elettronico o meccanico che, ricevuto uno specifico

segnale di ingresso (input), ne produce uno di uscita (output) secondo un algoritmo o una

formula matematica; l’attuatore è un tipo particolare di sensore che come output produce un

movimento.

L’aspetto sensoristico è uno degli ostacoli più impertinenti contro il quale progettisti e

sviuppatori si scontrano nell’implementazione di applicazioni per contesti Smart City e Smart

Mobility; questo problema si focalizza sull’idea che il cittadino possa contribuire attivamente

alla trasformazione progressiva della città e della viabilità sui propri bisogni; tale approccio

prende il nome di user produced city.

2.1 Wireless Sensor Network

Le tecnologie dell’informazione e della comunicazione sono alla base della pianificazione e

della gestione Smart City e Smart Mobility, fondate soprattutto sull’estrazione dei dati inerenti

al contesto urbano.

Molto spesso i dati, se correttamente analizzati, risultano essenziali per fornire modelli validi di

supporto alle decisioni e sistemi di riduzione del consumo energetico sempre più precisi.

La raccolta dei dati di un centro urbano è solitamente implementata grazie alle Wireless Sensor

Network (WSN); in realtà, queste sono reti di sensori caratterizzate da un range, misurato in

metri, e da un throughput inferiori rispetto alle classiche Wireless Local Area Network

(WLAN).

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Ciononostante, le WLAN vengono spesso adoperate per interconnetere nuvole di WSN sparse

sul territorio.

Una WSN riesce ad abilitare una misurazione capillare e pervasiva dei sistemi urbani, grazie

alla sua architettura non centralizzata; questa tipologia distribuita di rete prevede tre tipi di

nodi:

� nodi sensore detti anche motes, in grado di rilevare grandezze fisiche, come la

temperatura di un ambiente, il movimento di un oggetto, la quantità di anidride

carbonica nell’aria;

� nodi di interconnessione, capaci di veicolare i dati precedentemente acquisiti ed

elaborati;

� nodi gateway, che sono indispensabili per la consegna alla rete ed al centro servizi, il

quale più o meno automaticamente fornisce dei servizi.

Essenzialmente una WSN è in gran parte stazionaria, vale a dire che le sue componenti sono

ancorate agli ambienti che monitorano, ma sono comunque previsti dei sensori mobili che

contribuiscono al raccoglimento delle informazioni.

Tali tecnologie abilitanti devono avere una certa estensione per poter dar vita al concetto di

smart environment (in cui sono inclusi Smart City e Smart Mobility), cioè di ambiente

intelligente capace di interagire con utenti e col mondo esterno.

E’ bene osservare che le WSN non hanno bisogno di una stazione base che gestisca e coordini

tutte le attività dei sensori: difatti, rientrano nella categoria delle reti ad hoc, cioè un sistema

autonomo di terminali a cui se ne possono aggiungere altri.

Figura 6. Topologia semplificata di una WSN

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2.1.1 Un protocollo usato nelle WSN: ZigBee

Uno dei protocolli più utilizzati concepiti appositamente per moduli wireless è ZigBee; esso

viene adoperato per strutturare reti ad-hoc, con topologia mesh, e caratterizzate da un basso

rate trasmissivo.

Le reti mesh sono prive di un server centrale ed i suoi nodi possono funzionare come dei

ripetitori capaci di inviare e ricevere segnali: ciò consente di realizzare una rete cooperativa in

cui ciascun nodo si serve degli altri nodi per poter trasmettere ad un terminale non direttamente

raggiungibile.

Il ruoting dei pacchetti, cioè il loro instradamento diventa, quindi, un aspetto fondamentale:

uno degli approcci più usati è il flooding, cioè la disseminazione dei pacchetti sull’intera rete.

Quando un nodo della rete riceve un pacchetto lo invia a tutti i nodi ad esso collegato tranne al

nodo da cui l’ha ricevuto; in più, onde evitare l’invio infinito di pacchetti duplicati, il

protocollo ZigBee mette a punto due espedienti: contatore di salto e numero di sequenza.

Il contatore di salto viene inserito nel pacchetto ed il suo valore viene decrementato ad ogni

nuovo nodo attraversato. Inizialmente il valore del contatore deve essere pari al percorso

minimo fra sorgente e destinazione, ma essendo questa informazione non nota a priori si

assegna un valore uguale al diametro della rete.

Il numero di sequenza è un altro attributo aggiuntivo del pacchetto: ogni nodo deve riconoscere

i nodi adiacenti e, quando riceve un pacchetto da uno di questi, effettua un controllo verso tutti

gli altri nodi su tale valore: se il numero di sequenza è maggiore del precedente, allora riceve il

pacchetto correttamente, altrimenti lo scarta.

Per evitare la crescita all’infinito di questo valore si sceglie una soglia k che indica l’avvenuta

ricezione di tutte le sequenze fino ad appunto k. Una volta raggiunta la soglia il numero assume

il valore di zero.

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La specifica ZigBee evidenzia tre tipi diversi di dispositivi:

� ZigBee Coordinator (ZC): è presente in tutte le reti ed ha il compito di memorizzare

informazioni sulla topologia della rete e può fungere da repository per le chiavi;

� ZigBee Router (ZR): oltre a poter svolgere le mansioni di un nodo applicativo, è anche

capace di inoltrare i pacchetti provenienti da altri nodi;

� ZigBee End-Device (ZED): include esclusivamente le funzionalità base per

comunicare con il proprio nodo padre, che può essere uno ZC oppure uno ZR; non ha

la facoltà di smistare pacchetti di altri dispositivi e ciò comporta uno stato di riposo

abbastanza lungo da poter risparmiare la durata della batteria.

Figura 7. ZC, ZR e ZED

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2.2 Intelligent Transport System

L’espressione Intelligent Transport System (ITS) descrive l’insieme di sistemi all’avanguardia

che si basano su tecnologie proprie dell’elettronica, dell’informatica e delle telecomunicazioni,

applicandole al settore dei trasporti per monitorare il traffico, regolarlo per eventi emergenziali

e non e informare real time i viaggiatori.

In effetti, lo scopo è quello di integrare le conoscenze della telematica per pianificare,

progettare e gestire sistemi di trasporto al fine di migliorare la sicurezza della guida e

l’incolumità delle persone.

Esistono varie tipologie di sistemi intelligenti per il trasporto:

• sistemi di controllo avanzato del veicolo: servono per migliorare le condizioni di

security dei veicoli in qualità di supporto alla visione, rilevamento di collisioni e

guida automatica;

• sistemi di informazione per gli utenti: sono utili per informare il guidatore in tutte

le fasi del viaggio in termini soprattutto di traffico;

• sistemi di gestione del traffico e della mobilità: sono nati per la gestione delle

emergenze, delle soste e del pagamento automatico, per la rilevazione del

superamento delle infrazioni e per il controllo dei flussi semaforici;

• sistemi di gestione del trasporto pubblico: sono mirati ad incrementare l’uso dei

mezzi pubblici e a renderlo più attrativo per l’utenza, attraverso applicazioni in

grado di localizzare un veicolo ed effettuare un pagamento integrato;

• sistemi di gestione del trasporto merci: servono per agevolare il coordinamento

delle flotte ed il processo logistico riguardante il carico-scarico merci, anche di

quelle pericolose.

Varie forme di tecnologie di comunicazione wireless sono state proposte per gli ITS; le

comunicazioni a corto raggio (sotto i 500 metri) si avvalgono spesso del protocollo

IEEE 802.11.

Teoricamente, il range di questo protocollo può essere esteso adoperando mobile ad-hoc

network o WSN; di solito, si preferisce usare, per ricoprire distanze più lunghe,

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infrastrutture come WiMAX, GSM o 3G.

Inoltre, poiché quasi tutti gli automobilisti viaggiano con un telefono cellulare in macchina, è

possibile sfruttare le loro trasmissioni dati per ottenere in forma anonima info sul traffico;

questa tecnologia, chiamata Floating Car Data (FCD) fornisce molti vantaggi, perché è meno

costosa rispetto all’installazione di telecamere e sensori, offre una maggiore copertura delle

strade e funziona con qualsiasi condizione meteorologica.

Infine, un’altra tecnica utilizzata sulle strade è l’individuazione dei veicoli con i cicli induttivi;

essi possono essere posizionati nell’asfalto per individuare il passaggio di mezzi attraverso il

calcolo del loro campo magnetico; i sensori più semplici riescono a contare il numero di vetture

che, in un intervallo di tempo (generalmente 60 secondi) passano sul sensore, mentre quelli più

sofisticati rilevano anche la distanza fra loro, la velocità, le dimensioni ed il peso.

Figura 8. Rappresentazione di un ITS

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Capitolo 3

Esempi di tecnologie per scenari Smart

Questa sezione è dedicata alla presentazione di due specifiche applicazioni tecnologiche per

contesti Smart City e Smart Mobility: una è rivolta ai sistemi di telemetria per pali della luce in

città intelligenti, l’altra, invece, si dedica prettamente ai veicoli adoperati per ottenere una

mobilità intelligente.

3.1 Street Light Telemetry

Questo innovativo sistema è stato pensato per diverse applicazioni tra le quali monitoraggio dei

sistemi di illuminazione da palo, con analisi di consumo, di funzionalità e di intensità della

luce.

È stato progettato per essere allocato all’interno dei pali della luce, offrendo la possibilità di

accensione/spegnimento automatici della lampada con dimming della luce, cioè di regolare a

piacere la potenza assorbita da un carico e sfrutta teorie sulla telemetria per poter migliorare la

qualità della vita ed ottimizzare i servizi.

Street Light Telemetry consente anche un accesso internet mediante access point WiFi e un

sistema di videosorveglianza grazie ad una telecamera IP integrata; le sue caratteristiche

fondamentali sono:

1) interfaccia utente friendly;

2) database flessibile;

3) sistema in modalità wireless o wired;

4) sistema TCP/IP;

5) espandibilità dei sistemi nella rete grazie alla topologia MESH;

6) flessibilità del sistema nella compatibilità con molteplici sensori.

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Street Light Telemetry consente la realizzazione di una rete wireless di sensori ed attuatori che si

configurano automaticamente e si gestiscono facilmente da remoto, grazie a programmi di

gestione appositamente realizzati; esso, infatti, permette di interagire con un’interfaccia intuitiva

ed è predisposto anche a lavorare con database in grado di analizzare in post processing grafici e

statistiche, fondamentali per il data mining.

Tale strumentazione è un rivoluzionario sistema integrato di monitoraggio, controllo e

diagnostica di impianti per smart city; il sistema permette, tra l’altro, di gestire un’infrastruttura

di comunicazione in banda libera su pali presenti nelle strade urbane per acquisire dati ed attuare

comandi da remoto.

Le applicazioni implementabili grazie a Street Light Telemetry, come già scritto, sono basate

sull’attuazione di un’infrastruttura di comunicazione radio in banda libera, sulla quale inviare le

informazioni raccolte dai sensori posti sul territorio, mediante tecnologie di divulgazione diverse

secondo le esigenze, come Bluetooth, WiFi, o ZigBee, occupando uno spazio, anche

extraurbano, garantendo anche servizi aggiuntivi come “acces point” o telecamere IP.

Figura 9. Street Lights Telemetry

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3.2 Plug-in Electric Vehicle

Nell’ambito della mobilità intelligente, molti paesi hanno introdotto dei veicoli che non

funzionano con un tradizionale motore a combustione, bensì utilizzando la corrente elettrica.

In un veicolo a trazione elettrica (Electric Drive) il motore può essere alimentato solo da una

batteria, ma esistono anche situazioni ibride, basate sulla combinazione tra combustione interna

e trazione elettrica.

Per quanto concerne la prima soluzione, il veicolo elettrico viene detto PEV (Plug-in Electric

Vehicle) e la modalità di ricarica della batteria può avvenire in due modalità differenti: la prima

prevede che la batteria sia ricaricata in un punto dedicato privato o pubblico, a seconda della

necessità e della disponibilità, cercando di effettuare tale operazione in un orario in cui il carico

della rete sia minimo; l’altra modalità, meno diffusa, prevede, al contrario, la sostituzione

integrale della batteria scarica in una stazione di servizio.

Quest’ultimo modello permetterebbe alla rete di evitare sovraccarichi, ma moltiplicherebbe la

quantità di batterie in circolazione.

L’interazione tra PEV e rete di distribuzione è uno degli aspetti che, se non pianificati e

predisposti per tempo, potrebbero intralciare il diffondersi di questa tecnologia: uno dei

problemi da considerare è, appunto, la ricarica dei veicoli.

Il processo di ricarica dei veicoli si può negoziare su tre livelli: la rete, la postazione di ricarica

che ha ricevuto la richiesta dell’utente dell’auto elettrica ed il satellite di ricarica, il quale

dialoga con il sistema di gestione degli accumulatori dell’auto elettrica.

Si possono, ulteriormente, distinguere due tipologie di connessione per la ricarica di rete:

⇒ ricarica a valle da un dispositivo privato in una zona residenziale o all’interno di

un’impresa con parcheggio adibito a tale tecnologia; in questo modo la procedura di

ricarica avviene senza metering dedicato;

⇒ da colonnina pubblica, con metering dell’energia.

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Il metering è una sfida notevole nell’ambito delle PEV, perché l’end-user di questi mezzi deve

avere l’opportunità di rifornire il proprio veicolo sia in luoghi pubblici sia in luoghi privati ed il

prelievo deve essere sempre riconducibile all’utente corretto.

Per questo motivo, sono stati inseriti nelle colonnine diverse modalità di identificazione per far

sì che il riconoscimento avvenga in maniera coerente: una di queste è sicuramente la tecnologia

Radio Frequency Identification.

Il PEV sostanzialmente funge da nodo intelligente posto in una smart grid, ossia in una rete

elettrica intelligente che è una componente essenziale affinchè una città diventi smart.

La smart grid si avvale di comunicazioni bidirezionali e un impianto di sensoristica altamente

avanzato per consentire la connessione alla rete dei generatori distribuiti provenienti da risorse

rinnovabili.

Naturalmente, in quest’ottica il veicolo non è più solo un carico per la rete in fase di prelievo

ma diventa anche una potenziale fonte di energia per la rete quando la batteria è carica.

Con l’introduzione dei Plug-in Electric Vehicle, le utility avranno sempre più la necessità di

interagire con questi veicoli in materia di fatturazione del consumo di elettricità e ricarica

durante le ore a basso profilo di carico.

Entrando nello specifico, i messaggi scambiati fra i mezzi di trasporto ed una colonnina

riguardano varie prospettive:

1) pagamento della ricarica;

2) status della carica della batteria;

3) controllo della connessione con annesse autenticazioni;

4) misura dei kWh erogati;

5) associazione PEV/utente.

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L’ampiezza del territorio a cui applicare questa tecnologia incide fortemente sui sistemi di

comunicazione da adoperare: infatti, mentre le singole utility possono selezionare a priori il

sistema comunicativo più adatto alle loro esigenze, ciò non avviene in aree geograficamente più

vaste.

In spazi più estesi ci si può avvalere di una varietà di tecnologie che includono reti cellulari,

protocolli ZigBee, Power Line Comunication, Bluetooth, Wireless Fidelity, e altro.

Figura 10. Componenti per la fase di ricarica di un PEV

Satelliti della colonnina Colonnina di ricarica

Telecontrollo Punto di ricarica

Centro telecontrollo rete di distribuzione

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Conclusioni

In definitiva, si può affermare che le tecnologie atte all’implementazione di applicazioni per

Smart City e Smart Mobility sono numerose ed in continuo cambiamento e ciò comporta

inevitabilmente un’evoluzione anche nel modus vivendi di ognuno di noi.

Nell’era moderna, si cerca sempre di più di inventare software ed infrastrutture che non

invadano troppo gli spazi urbani: si punta, così, a tecnologie “smaller”, “greener” e “smarter”:

smaller, attraverso l’utilizzo di nanotecnologie realizzate con materiali avanzati; greener,

combattendo problematiche come inquinamento e sprechi di energia, grazie all’uso di

biotecnologie; smarter, rendendo sempre più eleganti ed efficienti gli apparati già esistenti.

E’ fuori discussione che un’altra sfida che le tecnologie devono affrontare è l’interoperabilità

dei dispositivi, non sempre possibile o, comunque, in grado di offrire servizi di alta qualità.

L’entusiasmo mostrato dalla società nei confronti di queste innovazioni rischia di essere

inconcludente, se non si attuano politiche in ambito urbanistico, logistico ed industriale:

servono tavoli operativi in cui convergano i punti di vista di finanziatori, di amministratori, di

ricercatori e di cittadini, creando, con uno sforzo sinergico, linguaggi e sistemi con parametri

condivisi.

Alle persone sarà sempre più richiesto di saper interagire con queste innovazioni e di lavorare

senza vincoli di tempo e luogo; nuovi dispositivi pervaderanno la nostra vita quotidiana nel

privato e nell’ambito lavorativo, consentendo alle aziende di essere più redditizie e performanti.

Infine, un ultimo aspetto che non è da sottovalutare riguarda l’integrità e la sicurezza dei dati:

l’avvento delle Smart City ed anche delle Smart Mobility e la conseguente mole di dati

disponibile sui consumi non deve assolutamente diventare l’ennesima sorgente di informazioni,

affinchè pubblicitari malintenzionati possano profilare gli utenti: urge, pertanto, lo sviluppo di

sistemi in grado di contrastare azioni invadenti e di garantire la privacy agli utenti.

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Ringraziamenti

La Laurea rappresenterà, per me, un percorso pieno di ostacoli, di momenti di scoraggiamento,

di sacrifici e di rinunce…

Le volte in cui il sabato sera non sono uscito per ripetere qualche argomento su cui ero insicuro,

le notti passate a svolgere qualche esercizio diverso da quelli che mi ero già preparato, gli

spostamenti per raggiungere aule, dipartimenti, segreterie, etc…

Ed è proprio in quegli istanti che ho trovato la forza di continuare, di non mollare e di guardare

avanti: questa carica mi è stata donata soprattutto da una persona, mia mamma Olimpia, che,

con i suoi gesti e le sue parole, mi ha fatto capire il vero senso della vita: quello di perseguire i

propri obiettivi, non dimenticando mai chi ci è intorno!

Naturalmente un grande applauso mio personale va a mio padre Rosario, sempre pronto ad

ascoltare ogni mia incertezza e titubanza, ai miei splendidi fratelli Anna e Luca, che hanno

saputo regalarmi, pur non sapendolo, momenti di svago e spensieratezza.

Ai miei parenti, nonni, zie, zii, cugini di primo e secondo grado, che con una cena, con una

telefonata o con un abbraccio hanno saputo accogliermi con affetto e semplicità.

Ai miei colleghi universitari con i quali ho condiviso orari, lezioni, appunti ma soprattuto la

paura di non arrivare a questo tanto agoniato traguardo.

Ai miei amici Giovanna, Roberto, Nicola, Valentina ed Armando che mi hanno sollevato in un

momento delicato della mia vita e mi hanno spronato a conoscere uno di quei pilastri di cui

oggi non posso fare a meno: la mia Emilia, alla quale va un doveroso ringraziamento perché,

seppur in breve tempo, ha saputo infondermi calma e serenità nella fase finale universitaria in

cui ne avevo davvero bisogno.

Insomma… che dire: CREDERCI SEMPRE, ARRENDERSI MAI! AD MAIORA SEMPER!!!

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Bibliografia

[1] P. Nijkamp, A. Caragliu, C. Del Bo, “Smart Cities in Europe”, CERS, 2009 [2] Annunziato M., “La roadmap delle Smart City”, ENEA, 2012 [3] Borga G., “City Sensing: approcci, metodi e tecnologie innovative per la città

intelligente”, FRANCOANGELI, 2013

[4] Morandi C., Rolando A., Di Vita S., “ICT: interfacce tra persone e luoghi”, TeMA Journal of Land Use, DICEA, 2013

[5] Roebuck K., “Near Field Communication (NFC). High-Impact Strategies. What you need to know: Definitions, Adoptions, Impact, Benefits, Maturity, Vendors”, TEBBO, 2011

[6] Fistola R., La Rocca R.A., “The virtualization of urban functions”, NETCOM, 2001 [7] Ali Khan R., “WSN: A solution for Smart Transportation”, Journal of Emerging Trends

in Computing and Information Sciences, 2012 [8] Sun Z., “A Routing Protocol Based on Flooding in the ZigBee Network”, ISA, 2009 [9] Antonucci V., “Smart Mobility: flussi di dati in grado di incidere sulle scelte dei

cittadini e delle amministrazioni”, FORUM PA, 2013

[10] Gluhak A., Krco S., Nati M., Pfisterer D., “A survey on facilities for experimental internet of things research”, Communication Magazine IEEE, 2011

[11] Ashton K., “That ‘Internet of Things’. In the real world, things matter more than

ideas”, RFID Journal, 2009 [12] Gallo L., “Il ruolo delle infrastrutture nelle Smart City”, ENEL, 2012 [13] Finkenzeller K., “RFID Handbook: Fundamentals and Applications in Contactless

Smart Cards, Radio Frequency Identification, and Near Field Communication, Third edition”, John Wiley and Sons, 2010

[14] Celaschi S., Gianinoni I., Mauri G., “Stato dell’arte sui veicoli elettrici”, ERSE, 2009 [15] Casari P., “The “Wireless Sensor Networks for City-Wide Ambient Intelligence

(WISE-WAI)” Project”, SENSORS, 2009 [16] IBM-Smarter city

http://www.ibm.com/smarterplanet/uk/en/smarter_cities/ideas/index.html?re=spf 02/10/2014

[17] econom,

http://www.econocom.com/sites/default/files/white_paper_iot_econocom.pdf 03/10/2014

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[18] sicetelecom,

http://www.sicetelecom.it/90/it/Smartcity/Street_Light_Telemetry.pdf 30/09/2014

[19] ZigBee Specification Overview

http://www.zigbee.org/Specifications/Zigbee/Overview.aspx. 02/10/2014

[20] visioneedimensione http://www.visioneedimensione.it/?p=1277 01/10/2014

[21] ministero delle infrastrutture e dei trasporti

http://www.mit.gov.it/mit/mop_all.php?p_id=084575 27/09/2014

[22] fondazione e sviluppo sostenibile

http://www.fondazioneesvilupposostenibile.org/f/DonatellaScintoSmartCityPiacenza.pdf 02/10/2014

[23] html http://www.html.it/articoli/cos-e-il-cloud-1/ 29/09/2014