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Majo IoT: monitoraggio di campi elettromagnetici e di

grandezze ambientali

STUDENTI : Federico Coppola, Andrea Rodella, Giovanni Sinigaglia

(Dipartimento di informatica e telecomunicazioni)

DOCENTI COORDINATORI: Prof. Ferdinando Sanpietro, Prof. Vito Rosiello

TEMATICHE: Misure e IoT in ambito industriale

Abstract

Il sistema di misura Majo IoT (Internet Of Things) realizzato permette di misurare sia

l’inquinamento elettromagnetico, legato ai sistemi wireless Wi-Fi, sia i parametri ambientali di un

ambiente e di visualizzarli in tempo reale su un sito Web di Internet http://iot.itismajo.it. La misura

delle grandezze fisiche legate all’inquinamento elettromagnetico wireless, come il campo elettrico

e il campo magnetico, coinvolgono notevoli costi, il più delle volte, ben difficilmente sostenibili da

un istituto scolastico. L’idea alla base del sistema Majo IoT è quella di poter stimare

l’inquinamento elettromagnetico Wi-Fi usando strumenti con il costo minore possibile, ma allo

stesso tempo poter fornire utili indicazioni con una incertezza di misura limitata. A tal fine si è

scelto di fondare il sistema di misura su dispositivi open source Arduino e sulle loro schede di rete

Wi-Fi. Sempre ai fine di limitare i costi, si sono scelti dei sensori di parametri ambientali, come

temperatura, umidità e luminosità, che fossero un buon compromesso tra costi e prestazioni di

misura ed, in particolare, la loro incertezza.

La figura che segue presenta un esempio di un prototipo di sistema Majo IoT in azione posizionato

nelle vicinanze di un access point Wi-Fi di cui era necessario monitorare il suo impatto

sull’inquinamento elettromagnetico dell’ambiente.

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FIGURA 1 – IL PRIMO PROTOTIPO DI SISTEMA DI MISURA E MAJO IOT IN AZIONE

Un sistema Majo IoT può essere “clonato” in modo da realizzare molti sistemi di misura per poter

monitorare in tempo reale più punti dello stesso luogo, più luoghi differenti dello stesso edificio

oppure punti diversi di edifici differenti. Infine sono in fase di sviluppo nuove funzionalità per Majo

IoT sui fronti sia software sia hardware. Per lo sviluppo software, si sta studiando un nuovo

sistema di messaggistica come Telegram, basato sulla tecnologia dei bot, al fine di aggiungere

funzionalità applicabili alla domotica. L’hardware verrà ulteriormente migliorato grazie allo

sviluppo di un nuovo contenitore (case) per il sistema realizzato con le nuove tecnologie della

modellazione e stampa 3D.

Progetto del sistema Majo IoT

Ogni sistema di misura Majo IoT è formato da una stazione in grado di misurare i parametri della

potenza Wi-Fi del luogo e alcuni parametri ambientali. I principali parametri elettromagnetici

misurati sono: il campo elettrico, il campo magnetico e la potenza totale del campo

elettromagnetico incidente sulla scheda. Tra i parametri ambientali abbiamo scelto di misurare i

principali come: la temperatura, l’umidità ambientale e la luminosità dell’ambiente. L’hardware

del sistema di misura è fondato su Arduino, mentre il firmware è stato scritto con il linguaggio C

dello stesso Arduino. Il sistema di misura deve soltanto poter accedere alla rete Wi-Fi del luogo di

misura dopodiché è completamente autonomo ed automatico. Una volta posizionato il sistema,

Majo IoT inizia subito a misurare e quindi a trasmettere tutte le misure elettromagnetiche e

ambientali via Internet usando la connessione alla rete Wi-Fi configurata. Le misure trasmesse via

Internet sono memorizzate in un server di database del nostro Istituto è quindi a disposizione per

il loro accesso remoto. Il database con le misure può essere quindi interrogato da qualsiasi

computer client di Internet, che in tempo reale può visualizzare le misure trasmesse. Ci siamo

anche occupati dello sviluppo di tutto il software del sito Web http://iot.itismajo.it, sempre del

nostro Istituto, che permette di visualizzare in grafici e/o in modo tabellare le misure memorizzate

nel server di database. La figura che segue presenta un esempio di visualizzazione dei dati del

monitoraggio sempre disponibile all’URL http://iot.itismajo.it/yun/show_data.php?device=1

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FIGURA 2 – UN ESEMPIO DI MONITORAGGIO IN TEMPO REALE

Progettazione 3D del case di Majo IoT

Grazie alle tecnologie di modellazione 3D e alla stampa 3D, è stata possibile la realizzazione di un

prototipo di contenitore per Majo IoT ispirandoci ai numerosi modelli disponibili nella community

di Arduino. Realizzato in ABS tramite stampa a deposizione fusa, il contenitore ha lo scopo di

proteggere i componenti interni del dispositivo per garantire il corretto funzionamento in ogni

condizione, garantendo la corretta misurazione dei dati senza sfalsare i valori misurati.

FIGURA 3 – PROGETTO DEL CASE DI MAJO IOT CON LE TECNOLOGIE DI MODELLAZIONE 3D E DELLA STAMPA 3D

Il sistema di misura

La misurazione dei campi elettrici e magnetici irradiati presenti in un determinato spazio è

fondata sui concetti alla base della teoria della propagazione di onde elettromagnetiche. Data la

grande diffusione di sistemi Wi-Fi, gran parte delle misurazioni si è focalizzata nella gamma di

frequenze tra 2,4 GHz e 2,5 GHz. Arduino fornisce una indicazione della potenza disponibile

ricevuta dalla scheda Wi-Fi integrata sulla scheda stessa. Partendo dalla potenza disponibile sul

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ricevitore in dBm e ipotizzando un diagramma di irradiazione dell’antenna del ricevitore di

Arduino, si può ottenere la densità di potenza incidente del campo elettromagnetico e quindi il

valore dell’intensità del campo elettrico in volt al metro e la misura del campo magnetico in

ampere al metro. Per verificare le misure di potenza del campo elettromagnetico, si è utilizzata un

misuratore di potenza elettronico e uno strumento (costoso) di misura di campi EM a disposizione

dell’Istituto.

Majo IoT in azione

Tutti i dati elettromagnetici e ambientali misurati sono trasmessi in tempo reale a un server di

database dell’Istituto http://iot.itismajo.it che le rende disponibili per la loro consultazione in

forma tabellare oppure in forma grafica in periodi lunghi oppure brevi scelti dall’utente del sito

Web. Una opportuna sezione del sito http://iot.itismajo.it/yun/graph.html permette di

confrontare le misure in periodi diversi e scelti dagli utenti.

FIGURA 4 – UN ESEMPIO DI MONITORAGGIO IN UN INTERO MESE

Telegram per l’accesso ai dati e domotica

La modalità di accesso mostrata precedentemente consente certamente di avere una visione della

situazione ambientale e dei campi elettromagnetici prodotti dal Wi-Fi. Tuttavia in alcuni casi,

soprattutto se si è in mobilità, può risultare difficile visualizzare gli ultimi dati ambientali sia per

condizioni di bassa velocità, per quanto riguarda la connettività, sia a causa dell’eventuale

scomodità della visualizzazione dei grafici su uno schermo di piccole dimensioni come quello di

uno smartphone. La soluzione proposta è quella di utilizzare un sistema di messaggistica

multipiattaforma e open-source come Telegram, sfruttando la tecnologia dei bot.

Essa consente all’utente di interagire con il sistema attraverso una semplice chat utilizzando dei

comandi predefiniti, tramite i quali si otterrà in risposta la temperatura, l’umidità, la quantità di

luce e la potenza del wireless. Questa tecnologia offre la possibilità di ampliare le funzionalità del

sistema IoT integrando e aggiungendo funzionalità applicabili alla domotica, come l’accessione di

luci da remoto, rappresentato in questo prototipo da un semplice e comune diodo LED.

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Conclusioni

La diffusione delle tecnologie SW/HW per la comunicazione di dati via Internet ha aperto ampi

orizzonti di ricerca al fine dello sviluppo di sistemi di misura real-time in grado di effettuare

monitoraggi dei fenomeni naturali o artificiali più disparati. IL sistema Majo IoT si propone come

prototipo di esempio di questo tipo di sistema di misura. Gli autori pensano a questo progetto

come un punto di partenza di ricerca per lo studio di tecniche hardware e software sia innovative

sia già consolidate. Lo dimostra la seguente riflessione. Questo progetto nasce circa due anni fa,

eppure in questo periodo ha già subito molte trasformazioni sia nell’hardware utilizzato sia nel

software, che ci hanno permesso di studiare e approfondire le tecnologie attuali e quelle che

verranno in futuro.