IoT e IoH: un’integrazione perfetta

L'Internet of Humans (IoH) è sempre più integrato dall'Internet of Things (IoT), che fornisce un gran numero di informazioni nuove e rende possibili nuove forme di automazione. Ma le comunicazioni nell'IoT hanno requisiti specifici. I nodi sensore wireless con accumulo di energia (o energy harvesting) sono in grado di soddisfarli.

Le macchine hanno iniziato a generare e consumare contenuti e questa tendenza sta accelerando notevolmente. Con l'IoT e IPv6, gli utenti saranno in grado di accedere direttamente ai dati relativi a una situazione attuale, a cui seguiranno i calcoli in tempo reale e il controllo smart degli attuatori. Le reti necessarie costituite da sensori, attuatori e processori possono essere costruite e modificate con flessibilità in base alla domanda effettiva. Durante il processo, la raccolta e l'elaborazione dei dati può essere eseguita localmente o all'interno di un'infrastruttura su cloud (IaaS, Infrastructure as a Service). Un utente, quindi, ordina via Internet all'impianto di riscaldamento di aumentare la temperatura fino a un livello confortevole prima che rientri a casa. Qui il contenuto o il comando sono rispettivamente generati dall'uomo, mentre l'impianto di riscaldamento elabora i dati e aumenta la temperatura in un determinato periodo di tempo. I sensori wireless, d’altra parte, misurano la temperatura esterna e quella ambientale che, combinate con le previsioni meteo del momento, possono essere utilizzate dal sistema di domotica per calcolare il riscaldamento necessario. Ora le macchine (sensori, attuatori, unità di controllo) comunicano direttamente con gli utenti o con altre macchine su larga scala grazie a Internet.

I vantaggi dell'Internet of Things

Avere una rete estesa di sensori, attuatori e unità di controllo che interagiscono tra loro e con l’utente può portare numerosi vantaggi.

Una maggiore quantità di dati (sensore) immessi produce in genere una maggiore comprensione dello stato del sistema. Tali informazioni aggiuntive consentono di migliorare i processi decisionali tenendo in considerazione un'ampia gamma di criteri. Alcuni esempi in cui ciò si verifica sono il controllo e l'automazione dei processi industriali, il monitoraggio strutturale e l'agricoltura. A differenza dell'approccio standard con uno o più sensori collegati a un'unica unità di controllo centrale, l’Internet of Things consente la condivisione e il riutilizzo delle informazioni disponibili tra diversi partner. Il sistema, pertanto, raccoglie i dati solo una volta ma utilizza le informazioni per diverse applicazioni.

I sistemi di controllo attuali sono in genere locali. Ad esempio, sensori, attuatori e unità di controllo sono spesso molto vicini e collegati direttamente tra loro (via cavo o wireless). L’Internet of Things non ha più bisogno di tale vicinanza e consente l’uso di risorse di elaborazione centralizzate o anche esternalizzate (cloud computing), riducendo notevolmente i costi infrastrutturali. L'IoT consente inoltre una creazione dinamica delle reti di controllo, che si possono formare o smantellare dinamicamente in base al tempo, alla posizione o ad altri parametri. Ad esempio, gli autoveicoli potrebbero interrogare automaticamente i sensori di temperatura in strada per stabilire se sussiste un pericolo di ghiaccio e avvisare di conseguenza il conducente. Questi esempi illustrano l'enorme potenziale dell’Internet of Things. Tutte le tecnologie di base necessarie per formare tale rete esistono già oggi: sensori, attuatori, unità di controllo locali o basate sul cloud e IPv6 per collegare tutto.

I requisiti per un mondo connesso

• La potenza di elaborazione è subito disponibile sia localmente che su cloud. La sfida principale è l’implementazione di un elevato numero di nodi sensore e attuatore e collegarli in modo adeguato.
• Installazione: è necessario implementare un grande numero di nuovi nodi sensore e attuatore (spesso in un'infrastruttura già esistente).
• Aumentare il numero di unità implementate a causa di espansione ecc.
• L'assistenza e la manutenzione richieste dai singoli nodi devono essere minime quando si creano reti su larga scala. La maggior parte dei nodi in tali reti deve essere esente da manutenzione.
• È necessario implementare le comunicazioni tra tutte le parti coinvolte. Un vero Internet of Things può essere formato solo se è possibile accedere a tutti i suoi nodi tramite protocollo internet (IP). Non è necessario che i nodi stessi comunichino fisicamente tramite IPv6, purché la traduzione tra il protocollo del nodo e IPv6 sia trasparente. Allo stesso tempo, una comunicazione sicura dei dati è fondamentale quando le informazioni dei sensori e i comandi degli attuatori si scambiano su Internet.
• Il costo, infine, è quasi sempre un fattore limitante. Il costo di proprietà totale, quindi, dovrà essere basso. Tutti questi requisiti possono essere soddisfatti dai sistemi wireless, che offrono facilità di installazione e scalabilità. Dei nodi sensore e attuatore con manutenzione e costo di funzionamento pari a zero, tuttavia, sono possibili solo tramite i nodi sensore wireless con accumulo di energia.

Fonti di energia

Esistono tre categorie principali di energia utilizzate per i dispositivi di accumulo di energia autoalimentati.

Fonti di energia ambientale aggiuntive e meno diffuse comprendono le onde elettromagnetiche e i sistemi chimici e bioelettrici. Il problema principale con tutte queste fonti di energia è che producono quantità di energia molto piccole. Il rilascio di energia può avvenire sia in periodi brevi o sotto forma di erogazione lenta e continua. In entrambi i casi, l'energia deve essere accumulata e spesso convertita (a livelli di tensione più elevati) per poter essere utilizzata. Ciò pone sfide significative nella progettazione di nodi sensore wireless con accumulo di energia. In particolare, tali dispositivi necessitano di un design del sistema molto efficiente dal punto di vista energetico, che utilizzi un ciclo di lavoro utile molto basso (i dispositivi sono inattivi per la maggior parte del tempo) e richieda solo correnti di standby estremamente basse durante il periodo di inattività. Il protocollo di comunicazione utilizzato da tali dispositivi deve essere ottimizzato per la massima efficienza energetica in modo da ridurre al minimo il loro tempo di attività.

Progettazione del sistema ad alta efficienza energetica

Poiché la maggior parte dei sistemi per accumulo fornisce solo quantità molto piccole di energia, è necessario immagazzinarla nel tempo mentre il sistema è inattivo e perdendone solo una piccola parte durante il processo.

Per questo motivo, il requisito fondamentale per la maggior parte dei sistemi ad alta efficienza energetica è avere una corrente di riposo estremamente bassa. Ciò significa che solo una piccolissima quantità di energia viene consumata mentre il sistema è inattivo. I normali dispositivi elettronici di consumo oggi dispongono di una corrente di standby nell'intervallo di alcuni milliampere (mA), mentre i progetti embedded con ottimizzazione dell'energia raggiungono in genere correnti di standby nell'intervallo di alcuni microampere (µA), un miglioramento di un fattore 1.000. In confronto, l'ultima generazione di sensori wireless per accumulo di energia EnOcean richiede correnti di standby di 100 nanoampere (nA) o meno, un miglioramento di un fattore superiore a 10.000. Il raggiungimento di questo livello di prestazioni richiede tecniche di progettazione molto avanzate e un'ampia ottimizzazione di ogni singolo componente. Il secondo requisito è che l'energia accumulata sia utilizzata nel modo più efficiente possibile quando il sistema è attivo. Per dispositivi con sensori wireless, le due principali attività in stato attivo sono la misurazione di una quantità esterna e la trasmissione in modalità wireless del relativo valore. Entrambe le attività devono essere ottimizzate per il minimo consumo energetico. Nel caso di una trasmissione wireless, ciò significa che il protocollo scelto deve essere il più efficace possibile. Il carico utile associato ai sensori è spesso di piccole dimensioni (alcuni byte), pertanto l'overhead del protocollo deve essere il più possibile limitato.

Questo ultimo requisito è difficile da soddisfare utilizzando IPv6 come un protocollo di comunicazione anche a livello di singolo sensore perché provoca un notevole overhead. Il solo header dell'IPv6 richiede 40 byte di dati del protocollo. Inoltre, l'UDP, probabilmente il protocollo di comunicazione più semplice al di sopra di IPv6, richiederebbe ulteriori 8 byte di dati del protocollo. In base alla struttura dell'header IPv6 e UDP, la trasmissione di 1 byte di dati del sensore richiederebbe ulteriori 48 byte di dati del protocollo a basso livello. Pertanto la combinazione IPv6/UDP non è adatta per comunicazioni ad alta efficienza energetica a livello di sensore in una rete. In confronto, il protocollo leader del settore EnOcean per applicazioni wireless per l'accumulo di energia in conformità a ISO/IEC 14543-3-10 produrrebbe solo 7 byte di overhead del protocollo per la trasmissione di 1 byte di dati del sensore. La traduzione tra tale protocollo sensore ad alta efficienza energetica e un IPv6 viene fornita da gateway IP dedicati che rappresentano lo stato di ciascun nodo sensore collegato e fungono da loro rappresentante all'interno della rete IPv6.

Basi per l'IoT

Questo approccio integrato di traduzione dei protocolli consente a tutte le parti di comunicare con le reti di sensori e attuatori wireless per l'accumulo di energia tramite IPv6.

In tal modo, un protocollo come ISO/IEC 14543-3-10, che è ottimizzato per un bassissimo consumo energetico e applicazioni wireless per l'accumulo di energia, può essere utilizzato per le comunicazioni tra il sensore e il gateway. Ciò consente l'implementazione di una vasta gamma di dispositivi esenti da manutenzione ed efficienti dal punto di vista dei costi con connettività wireless.

In combinazione con i gateway IPv6, questi nodi costituiranno la base dell'Internet of Things e favoriranno la prossima rivoluzione tecnologica. Un buon esempio di tale implementazione è Raspberry Pi accoppiato con EnOcean Pi. Ciò fornisce agli utenti un gateway IP che interagirà con qualsiasi ecosistema EnOcean pur mantenendo una struttura IP. Utilizzando Raspberry Pi, un utente può caricare un software aperto come OpenHab per fornire alle comunicazioni EnOcean un facile accesso all'IP. OpenHab, così come EnOcean Alliance, è un membro della AllSeen Alliance che con AllJoyn offre una struttura software collaborativa open-source che facilita agli sviluppatori la scrittura di applicazioni in grado di rilevare i dispositivi nelle vicinanze e comunicare con loro direttamente a prescindere dalle marche, dalle categorie, dai trasporti e dai sistemi operativi.

Questo approccio consente lo scambio di dati con singoli sensori anche quando sono inattivi e quindi non disponibili per la comunicazione diretta. Una volta attivi, i sensori aggiorneranno le proprie informazioni sullo stato nel gateway e recupereranno i messaggi e i comandi a loro destinati.