Corso di Sistemi Mobili M (8 cfu) -...

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Intro al Corso - Sistemi Mobili M 1

Sistemi Mobili M

Università di Bologna

CdS Laurea Magistrale in Ingegneria Informatica

II Ciclo - A.A. 2014/2015

Corso di Sistemi Mobili M (8 cfu)

Docente: Paolo Bellavista

[email protected]

http://lia.deis.unibo.it/Courses/sm1415-info/

http://lia.deis.unibo.it/Staff/PaoloBellavista/


Sistemi Mobili M in una Slide

Propedeuticità: nessuna

ma i contenuti dei “vecchi” corsi di reti di calcolatori (Reti di Calcolatori T

e anche, molto parz, Reti di Calcolatori M), Sistemi Operativi T e

Tecnologie Web T possono essere sicuramente utili

Modalità d’esame: lunga prova orale (con discussione di piccolo progetto

– opzionale; anche possibilità di Attività Progettuale da 4 cfu)

Oggetto del corso (in estrema sintesi): conoscenza dei modelli

e delle soluzioni alla base della realizzazione di sistemi

mobili allo stato dell’arte, dei servizi erogati su essi, e dei

sistemi di supporto (middleware) necessari allo sviluppo

e alla gestione runtime di tali servizi mobili. Conoscenze

metodologiche, modellistiche e implementative per

progettazione, realizzazione, deployment e valutazione

runtime di servizi mobili

mailto:[email protected]

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Sistemi Mobili M: Abilità Conseguite (1)

Competenze in uscita: Complementi di comunicazioni e sistemi wireless

cenni su modelli di propagazione e fading

panoramica su principali caratteristiche IEEE 802.11

(infrastrutturato, ad hoc – WiFiDirect - e mesh)

panoramica su principali caratteristiche reti cellulari

panoramica su principali caratteristiche IEEE 802.15

reti mobili ad hoc (MANET) e principali protocolli di routing

gestione mobilità e Mobile IP

tecniche di posizionamento e mobilità

Concetto di mobile middleware esempi di piattaforma (J2ME, Android, iOS,...)

tecnologie di supporto (SIP, IMS, Web Services, discovery, …)

argomenti avanzati come context awareness, service

composition, overlay networking



Concetto di mobile middleware principi e pattern (principi Internet, Web, SOA e mobile,

pattern per mobile computing)

mobile messaging

publish/subscribe

data synchronization

Filoni applicativi, domini specifici e scenari Più «tradizionali» come

accesso mobile al Web, multi-modalità e multi-canalità

servizi location-aware e context-aware

context management e smart space

O più «visionari» come

alta mobilità e reti veicolari, DTN, opportunistic networking

disseminazione dati e metadati, coordinamento tramite comportamenti

emergenti

cenni di mobile social networking e privacy

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Intro al Corso - Sistemi Mobili M 5 5


Il corso includerà inoltre:

alcune esercitazioni guidate di laboratorio su alcune

tematiche e tecnologie affrontate a lezione (handoff orizzontale

e verticale, Android, gestione smart space, servizi location-dependent e

geolocalizzazione, context-awareness, …). Le esercitazioni saranno a

svolgimento autonomo da parte degli studenti, sotto supervisione del

docente; prevedranno l’utilizzo di ambienti di simulazione avanzati

(Qualnet e SUMO) e di dispositivi Android/Raspberry PI; le soluzioni e i

progetti realizzati saranno resi disponibili sul sito Web del corso

discussione di casi di studio concreti, specialm. nei

domini applicativi dei servizi location/context-aware

e di reti/servizi veicolari

possibilità di seminari addizionali di presentazione di

significativi casi aziendali


Sistemi Distribuiti M: Modalità e Date d’Esame

La prova d’esame consisterà:

in una LUNGA prova orale, che verterà ovviamente

sull’intero programma del corso

nella discussione di un progetto opzionale (guidato e

proposto dal docente) di realizzazione di applicazioni e/o supporti

che sfruttino alcune tecnologie affrontate all’interno del corso

Il progetto, ovviamente in tal caso di complessità maggiore , potrà essere

associato ad una Attività Progettuale da 4 cfu

Date d’esame (si prevedono 8 appelli annuali; date successive e iscrizione

obbligatoria tramite http://almaesami.unibo.it):

Primo appello – metà giugno 2015, ore 9:00, ufficio docente

Secondo appello – inizio luglio 2015, ore 9:00, ufficio docente

Terzo appello – fine luglio 2015, ore 9:00, ufficio docente

http://almaesami.unibo.it/

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Materiale Didattico

Copia delle diapositive mostrate a lezione ed esercitazioni guidate di laboratorio (scaricabili mano a mano dalle pagine Web del corso; le slide saranno caricate di settimana in settimana)

Testi suggeriti: S. Tarkoma, Mobile Middleware, Wiley, 2009

Ke-Lin Du, M.N.S. Swamy, Wireless Communication Systems, Cambridge University Press, 2010

Z. Mednieks, L. Dornin, G.B. Meike, M. Nakamura, Programming Android, O’Reilly, 2° edition, 2012

D. Sillars, High-Performance Android Apps, O’Reilly, 2014

Altre utili sorgenti on-line di informazioni: Tutorial pubblici su J2ME, Android, iOS

Corso di Mobile & Pervasive Computing, Univ. Carnegie-Mellon, 2010

Corso di Mobile Computing, Univ. Ohio, 2009

Corso di Pervasive Computing, MIT, 2008

Corso di Mobile Computing, Virginia Tech, 2010

Corso di Mobile Computing and Sensor Networks, NJIT, 2008


Accesso ai Lab e

Ricevimento Studenti

Laboratorio assegnato per le esercitazioni autonome: Lab2

(utilizzabile ogni volta che il lab non è occupato da lezioni)

Strumenti: soliti IDE, specialmente Eclipse, per sviluppo su Android e J2ME, iOS SDK, Qualnet (simulatore per protocolli a tutti i livelli dello stack protocollare), SUMO (simulatore di mobilità veicolare) e veri dispositivi Android e Raspberry PI (solo in qualche unità …)

Strumenti di sviluppo e deployment ulteriori (cosiccome utili sorgenti addizionali di materiale) saranno descritti e citati quando si affronteranno gli argomenti specifici

Orari di ricevimento del docente: Lunedì ore 14:00-16:00 e/o su appuntamento

(lunedì ore 16:00-18:00 solo dopo il II ciclo di lezioni)

c/o “nuovi” studi DISI – edificio aule nuove (di fianco aula 5.7)

E-mail: [email protected]

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Interazione Docente-Studenti

Oltre alle lezioni e all’orario di ricevimento:

Il punto di riferimento essenziale è il sito Web del

corso:

http://lia.deis.unibo.it/Courses/sm1415-info

(eventualmente anche) Lista di distribuzione del corso: è un servizio

del portale di ateneo che consente di inviare, via e-mail, comunicazioni,

messaggi e materiali di approfondimento agli studenti

Accesso mediante lo stesso account della “mia e-mail” alla pagina: http://www.unibo.it/Portale/Servizi+online/Liste+distribuzione/default.htm

nome della lista: sm1415-info


Orario delle Lezioni

Normalmente:

lunedì ore 12-14, aula 7.6

giovedì ore 11-14, aula 7.5 (qualche sovrapposizione critica?)

Eventuali variazioni verranno comunicate

prontamente tramite sito Web del corso e

mailing list di distribuzione




http://www.unibo.it/Portale/Servizi+online/Liste+distribuzione/default.htm

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Perché un Corso di Sistemi Mobili:

Marketing Presentation

Trend di mercato degli ultimi anni mostra grande crescita degli

smartphone

Disponibilità di applicazioni molto attrattive

e responsive

Browser

Multimedia player, augmented reality

Social networking

Hardware con crescenti performance,

ad es. display

Connettività (Rete 3.5G, Wi-Fi, Bluetooth)

GPS, bussola, giroscopi, sensori, …

Sistemi di storage SSD

Tendenza a diventare un mercato di massa

Nel 2015 (dati Juniper Research)

prezzo degli smartphone scenderà a 80$

185 milioni di unità vendute


Smartphone market – Una fotografia di quello

che era 3 anni fa e che forse non ricordiamo più…

Nel corso del 2011 scenario di mercato a livello globale delineato in

maniera abbastanza netta:

Rispetto all’anno precedente, vendite aumentate del 42% (l’anno

precedente dell’89%!)

Dispositivi con sistema operativo Android sono stati i più venduti nell’ultimo

quarto del 2011 (già crescita del 615% tra 2010 e 2009)

115 milioni di unità vendute in 3Q11

Dati: Canalys

Sistema operativo 3Q11

Unità

3Q11 Quota

di mercato (%)

3Q10 Unità 3Q10 Quota

di mercato (%)

Android 60.490.400 52,5 20.544.000 25,3

Symbian 19.500.100 16,9 29.480.100 36,3

iOS 17.295.300 15,0 13.484.400 16,6

RIM 12.701.100 11,0 12.508.300 15,4

Bada 2.478.500 2,2 920.600 1,1

Microsoft 1.701.900 1,5 2.203.900 2,7

Others 1.018.100 0,9 1.991.300 2,5

Totale 115.185.400 100 81.132.600 100

Gartner, Nov. 2011

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Mercato dei tablet conferma lo stesso andamento di rapida crescita di

terminali Android

OS Quota di

mercato - Q3

2010

Quota di

mercato - Q4

2010

Totale

2010

Apple iOS 95.5% 75.3% 84.1%

Android 2.3% 21.6% 13.1%

OS Vendite Q3

2010 (milioni)

Vendite Q4

2010 (milioni)

Totale

2010

Apple iOS 4.2 7.3 14.8

Android 0.1 2.1 2.3

Altro 0.1 0.3 0.5

Totale 4.4 9.7 17.6

Dati: Canalys

Tablet – Mercato Globale


Smartphone – Mercato EU5

Mercato EU5 (UK, DE, FR, ES, IT) degli smartphone è cresciuto del 41%

60.850.000 sottoscrittori a luglio’10 contro 43.053.000 a luglio’09

Diffusione sistemi operativi, tendenza italiana simile a quella europea (dati luglio‘10)

Maggiore penetrazione smartphone Symbian

Quote di mercato ancora relativamente basse per iPhone e Android

Symbian Apple Microsoft RIM Google

luglio ’10 33.080 11.667 7.081 4.886 3.708 Sottoscrizioni (K)

54.4% 19.2% 11.6% 8.0% 6.1% Percentuale

luglio’09 29.601 4.308 5.972 2.746 208 Sottoscrizioni (K)

68.8% 10.2% 13.9% 6.4% 0.5% Percentuale

Variazione -14.4% 9.0% -2.3% 1.6% 5.6% Percentuale

UK Francia Germania Italia Spagna

Symbian 37.3% 35.4% 51.6% 72.5% 69.3%

Apple 29.6% 31.6% 21.2% 9.8% 8.6%

Microsoft 7.1% 13.8% 16.0% 11.4% 11.9%

RIM 16.0% 7.4% 5.5% 4.7% 4.7%

Google 9.9% 11.8% 5.7% 1.5% 1.5% Dati: ComScore

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Smartphone – Accessi Web

Quota di mercato maggiore di Nokia ma maggioranza di accessi Web

avviene da iPhone

Dati: StatCounter


Smartphone – Accessi Web USA

Accesso Web negli USA è un dato interessante perché dà una

prospettiva sul mercato europeo e italiano nel breve termine

Si nota come negli USA l’utilizzo di terminali con Android OS sia

già molto ampio

Dati: StatCounter

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Perché un Corso di Sistemi Mobili:

un pochino più tecnici…

Definizione di mobile computing, context awareness e middleware

Perché mobile computing non è per nulla commodity ma grandissima opportunità aperta di ricerca e business

Mobile computing genera differenti requisiti in progettazione/implementazione middleware e applicazioni sw

Esempi di middleware e servizi mobili ad alta innovatività

Idea provocatoria: “future pervasive systems as social sharing spaces”?


Mobile Computing (1)

Mobile computing richiede approccio a livelli multipli e con competenze multiple:

Dispositivi embedded (problematiche miniaturizzazione, consumo ridotto di energia, …)

Comunicazioni wireless (IEEE 802.11a/b/g/s, Bluetooth, WiMAX, comunicazioni veicolari, …)

Piattaforme di supporto software (Android, iOS, SymbianOS, MS?, …)

Gestione energia a livello piattaforma software

Gestione interfacce wireless multiple e handover a livello piattaforma software

Gestione contesto

…

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Mobile Computing (2)

…

Gestione cross-layer requisiti applicativi e allocazione risorse

Supporto a servizi infrastructure-based

Supporto a servizi peer-to-peer

Supporto a servizi mobili opportunistici e delay-tolerant

Supporto a servizi mobili social-aware

E design, implementazione, deployment e management runtime di tutte queste categorie di servizi!


Contesto

Contesto (time, location,

interessi personali, caratteristiche

device/risorse/servizi, gruppi,

affinità sociali, storia sessioni

precedenti, previsioni su

sessioni future, …)

Usato per personalizzare

fruizione del servizio

(adattamento) e

disciplinare accesso

a risorse/servizi

(visibilità

personalizzata)

personal

interests

time and

location

device

characteristics

service administrative domains

network domains

personalized

service view

user context

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NON è una COMMODITY!

Mobile computing richiede approccio a livelli multipli e con competenze multiple:

Dispositivi embedded (problematiche miniaturizzazione, consumo ridotto di energia, …)

Comunicazioni wireless (IEEE 802.11a/b/g/s, Bluetooth, WiMAX, comunicazioni veicolari, …)

Piattaforme di supporto software (Android, iOS, SymbianOS, MS?, …)

Gestione energia a livello piattaforma software

Gestione interfacce wireless multiple e handover a livello piattaforma software

Gestione contesto

… MIDDLEWARE


…

Gestione cross-layer requisiti applicativi e allocazione risorse

Supporto a servizi infrastructure-based

Supporto a servizi peer-to-peer

Supporto a servizi mobili opportunistici

Supporto a servizi mobili social-aware

E design, implementazione, deployment e management runtime di tutte queste categorie di servizi!

MIDDLEWARE

+ APP

NON è una COMMODITY!

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Middleware e

Applicazioni Mobili Solo per citare alcuni esempi possibili:

Distribuzione di streaming multimediale dinamicamente adattato verso terminali mobili differenziati

Always Best Connected e Always Best Served

Sensori, smart environment e conseguente adattamento dinamico per servizi context-aware

Monitoraggio urbano collaborativo (traffico, inquinamento, uso di veicoli/utenti intrinsecamente mobili, …) – vedi MobEyes

Replicazione e applicazioni delay-tolerant

Resource sharing per prossimità – vedi RAMP

Resource sharing e comportamenti sociali

…

Ora qualche esempio concreto per partire light e per stimolare la vostra fantasia creativa (non esistono solo app e

AppStore)…


MobEyes

http://netlab.cs.ucla.edu/cgi-

bin/usemod10/wiki.cgi?MobEyes

Sharing di Info Monitoraggio in Reti Veicolari:

MobEyes (1)

Automobili operano

sensing opportunistico

nell’ambiente urbano e

mantengono dati

localmente

Disseminazione

collaborativa di metadati

basata su decisioni locali

Possibilità di comportamenti

emergenti per soddisfare

requisiti application-specific

(ad es. completezza query,

tempo risposta, overhead, …)

http://netlab.cs.ucla.edu/cgi-bin/usemod10/wiki.cgi?MobEyes



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Intro al Corso - Sistemi Mobili M 25 25/24

Monitoraggio urbano tramite reti veicolari di

sensori opportunistiche e autonome

Incontri opportunistici di auto “normali” equipaggiate con

sensori e comunicaz. wireless

Mobilità sensori “not-directed”

MobEyes (2): Idea Base

Differenze rispetto a WSN:

Vincoli meno stringenti su memoria,

storage e consumo potenza

Larga scala di deployment

Scenario applicativo:

Post-crime investigation (ad

es. dopo attacco terroristico)

Auto con sensori A/V

Metadata summaries


Come indurre comportamento emergente desiderato con

operazioni di gestione minime e lightweight?

Nuovi protocolli per summary diffusion

MobEyes (3): Idea Base

Single-hop/k-hop passive diffusion

Single-hop active diffusion

Nuovi protocolli per

summary harvesting

Adozione filtri Bloom

Tuning adattativo di protocolli in

dipendenza da stime su proprietà

locali, ad es. densità

Lavoro estensivo di simulazione

in scenari di deployment realistici

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Non solo tuning adattativo di protocolli per summary

diffusion e harvesting

Obiettivo di best tradeoff fra overhead limitato e requisiti app-

specific (latenza, completezza, …) in ambienti wide-scale

Come coordinare agenti multipli per metadata harvesting?

Necessità di minimo coordinamento esplicito e minimo overhead

Protocolli Bio-inspired Densità di metadati (prop. densità veicoli) e datataxis (ispirato a chemotaxis

di E.coli)

Differentiated foraging (Levy jump,

biased jump, constrained walk, …)

Risoluzione conflitti (via stigmergy, …)

MobEyes (4): Protocolli,

Tradeoff ed Estensioni Bio-inspired

Intro al Corso - Sistemi Mobili M

Importanza di altra forma di mobilità, legata forse in futuro prossimo a

connettività continua: mobilità dei veicoli elettrici

Impatto su gestione efficiente smart grid elettrica

Mobilità Veicolare e

Comportamenti Emergenti

Comportamenti e

trend emergenti

per

Mobilità veicolare

Pattern abituali di

caricamento

Pattern di

produzione in

impianti

microgenerazione

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Efficientamento controllo semaforico in modalità completamente

distribuita

Mobilità Veicolare e

Comportamenti Emergenti


Sharing Sociale di Risorse di Connettività:

MMHC (1)

Multi-hop Multi-path Heterogeneous Connectivity (MMHC)

http://lia.deis.unibo.it/Research/MMHC/


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Sfruttare interfacce wireless multiple in contemporanea in diversi

path multi-hop eterogenei, gestiti a livello applicativo

Incentivi alla collaborazione e alla condivisione di risorse

Basato su indicatori di contesto innovativi e lightweight, ad es.

relativi a previsioni di joint mobility, previsioni di throughput,

consumo batteria, appartenenza a gruppi sociali, …

Informazioni aggiuntive su MMHC/RAMP:


http://lia.deis.unibo.it/Research/RAMP/

P. Bellavista, P. Gallo, C. Giannelli, G. Toniolo, A. Zoccola: “Discovering and Accessing

Peer-to-peer Services in UPnP-based Federated Domotic Islands”, IEEE Transactions

on Consumer Electronics, Vol. 58, No. 3, pp. 810-818, Aug. 2012

P. Bellavista, A. Corradi, C. Giannelli: “Middleware for Differentiated Quality in

Spontaneous Networks”, IEEE Pervasive Computing, Vol. 11, No. 3, pp. 64-75, March

2012.

MMHC (2)


RAMP Middleware per

Reti Spontanee

RAMP supporta creazione e gestione di reti spontanee

connettività multi-hop end-to-end

utenti invocano e offrono servizi (peer-to-peer)

API di supporto allo sviluppo di nuovi servizi in modo semplificato

C

FB

DA

E

G

UMTS Base Station

IEEE 802.11Access Point

interface providing ad hoc connectivity

IEEE 802.11IBSS

BluetoothPiconet

Bluetooth Piconet

IEEE 802.11IBSS

single-hop link

Real Ad-hoc Multi-hop Peer-to-peer (RAMP)

Interconnessione impromptu di nodi fissi e mobili Non solo per ottenere connettività Internet (Always Best Connected -

ABC), ma anche per supportare volontà utente di condividere contenuti, risorse e servizi

packet dispatching a livello applicativo su piattaforme eterogenee

Gestione spazi di indirizzamento IP non coordinati

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Gestione Routing

Application-Driven

Sviluppatori di applicazioni specificano strategie di consegna con granularità per-packet Non Reliable Bulk Transfer (NRBT): high performance, low overhead,

low reliability. Basata su packet splitting (pacchetti “grandi”, ad es. per file sharing)

Reliable Packet Streaming (RPS): alleviare disconnessioni, uso (limitato) di risorse addizionali sui nodi partecipanti (molti piccoli pacchetti, ad es. per multimedia streaming)

Highly Reliable Message Delivery (HRMD): massima availability per servizi delay-tolerant ma consumo di memoria (consegna di messafggi critici)

A B

34

12

A B

1342

A B

34

12

A B

234

1

A B

34

12

A B

34

12

t2

t1

t0

Without NRBTWith NRBT

A X L B

A X L B

routing storing

N

t1

t0A X L B

A X L B

routing rerouting

t1

t0

NRBT RPS HRMD

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Application-layer

Multimedia Re-casting 1) Nodi fanno splitting cooperativo end-to-end dei cammini

multimediali in segmenti differenti

minore traffico su nodi intermedi

main stream

split stream

D: Multimedia DispenserS: Smart SplitterH: Dynamic Harvester

D H2

H4H1 H3

a)

4 3 2 1

D S H2

H4H1 H3

b)

2 1 2 1

D H2

H1

2 1 1 1

D S H2

H1

2 1 1 1

2) Nodi fanno monitoring cooperativo della qualità degli stream (packet loss, jitter, …) e adattano flussi dinamicamente (priority-based video frame dropping)

gestione fine-grained e per-segment per ridurre throughput necessario vicino ai colli di bottiglia identificati dinamicamente

34

18


Visione “Tradizionale”

sui Sistemi Pervasivi

Esempio classico di “smart home”,

più o meno tradizionale

Soluzioni efficaci ma ad-hoc

Usualmente, interoperabilità a livello

di servizio

Costi di sviluppo, scarsa riusabilità,

integrazione costosa e

complessa con soluzioni legacy


Troverete scritto da mille parti :

Entro 2015, un migliaio di dispositivi per persona;

maggior parte in grado di comunicare con ambiente

circostante

Utenti beneficeranno di smart app innovative

Informazioni correlate a locazione/spazio/ambiente

saranno a disposizione anywhere, come

infrastruttura elettrica oggi

Connessione fra mondo fisico reale e “mondo

dell’informazione” arricchirà user experience

Rivoluzione “Internet-like” per lo spazio fisico

Tutte le info che utenti desiderano e necessitano sul

proprio ambiente saranno facilmente disponibili

Modo comune e aperto di accedere all’informazione

di smart environment da smart device

Applicazioni semplici e derivanti da mash-up locale,

basate su dispositivi e dati di smart env aperti

Verso interoperabilità information-level

Visione “Quasi Tradizionale”:

Sistemi Pervasivi su Scala Urbana

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Smartphone-based

People-centric Sensing In collaborazione con gruppo di ricerca di

Andrew T. Campbell a Dartmouth e Cristian

Borcea a NJIT, USA

Smartphone come infrastruttura di

routing per wireless sensor network

WHOO

Smartphone come sensori

BeWell

Task partecipativi urbani

ParticipAct

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Smartphone come Sensori:

BeWell

Mobile health: aiutare utenti a monitorare e migliorare “stile di vita”

BeWell: applicazione smartphone-based che

sfrutta sensori locali per monitorare stato di salute e dare feedback agli utenti in modo veloce e facilmente comprensibile

Considera:

Attività fisica Attività sociale Durata/qualità sonno

Restituisce feedback via: Animated wallpaper Widget con punteggio personale e di

gruppo

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Sistemi Pervasivi + Smart City

+ Social Sharing

Social sharing di informazione derivante da sensing

Social sharing di risorse disponibili sotto-utilizzate

Non solo sistemi

pervasivi su

larga scala

(smart city), ma

anche forte

spinta verso

condivisione

COLLABO-

RATIVA

personal space

urban space

social space

Courtesy:MetroSense, A. Campbell


Social Smart App: Ulteriore Spinta verso Resource Sharing?

Il successo di social

smart app piò

cintribuire a

soingere comunità

rilevanti di utenti

verso migliore

sfruttamento

risorse disponibili (è questo “green”

computing?) tramite

sharing dinamico

ed efficace di

info+servizi da

sistemi pervasivi

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