Sistemi domotici integrati per la gestione intelligente d’ambiente

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA

TESI DI LAUREA MAGISTRALE

Sistemi domotici integrati per lagestione intelligente d’ambiente

Autore:Riccardo Trivellato

Relatore:Carlo Ferrari

Tesi diLaurea magistrale in Ingegneria Informatica

28 Febbraio 2017

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SommarioUniversità degli Studi di Padova

Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione

Laurea magistrale in Ingegneria Informatica

Sistemi domotici integrati per la gestione intelligente d’ambiente

Riccardo Trivellato

In questo lavoro si è voluto progettare e realizzare un sistema intelligentedomotico che si integrasse in due scenari comuni: casa e ufficio. Si è par-titi da una progettazione dell’architettura del sistema per arrivare alla suaconfigurazione settando i comportamenti che dovrà adottare all’accadere dideterminati eventi. Un aspetto importante che si è voluto sottolineare è l’in-terazione del sistema con casi di assistenza sanitaria presenti in entrambi gliscenari. Terminata la progettazione si è passati alla simulazione degli am-bienti attraverso l’utilizzo di un framework di lavoro: Freedomotic. Grazie aquesto software si è potuta testare la bontà della realizzazione verificandonele caratteristiche principali.

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Indice

Sommario iii

Elenco delle figure vii

1 Introduzione 11.1 Letteratura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2 Scopo della tesi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2 Design pattern e progettazione 72.1 Analisi progettuale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.2 Scenari . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.2.1 Ambiente domestico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9Livello a basso impatto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10Livello a medio impatto . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.2.2 Ambiente lavorativo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3 Realizzazione scenari 173.1 Freedomotic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.1.1 Cos’è Freedomotic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173.1.2 Primo impatto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183.1.3 Struttura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3.2 MQTT per IoT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233.2.1 Modello publish - subscribe . . . . . . . . . . . . . . . . 233.2.2 QoS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243.2.3 Topic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

vi

3.3 Applicazione pratica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4 Conclusioni 35

Bibliografia 37

vii

Elenco delle figure

1.1 Architettura proposta da Ventylees Raj.S . . . . . . . . . . . . . 3

2.1 Proposta architettura casa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.2 Proposta architettura ufficio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.3 Esempio design ambiente domestico . . . . . . . . . . . . . . . 142.4 Esempio design ambiente lavorativo . . . . . . . . . . . . . . . 15

3.1 Schermata iniziale freedomotic . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183.2 Architettura freedomotic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193.3 Schema utilizzo plugin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203.4 Esempio reaction in Freedomotic . . . . . . . . . . . . . . . . . 213.5 Modello Publish-Subscribe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243.6 Schema QoS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.7 Scrittura topic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.8 Topic multilevel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.9 Schermata iniziale MQTT spy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.10 Reaction in azione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

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Capitolo 1

Introduzione

La domotica, dall’unione delle parole domus (che in latino significa "ca-sa") e robotica, è la scienza interdisciplinare che si occupa dello studio delletecnologie atte a migliorare la qualità della vita nella casa e più in generalenegli ambienti antropizzati[1]. La domotica è diventata più pratica all’iniziodel ventesimo secolo, seguendo la rapida diffusione dell’elettricità e l’ascesadell’information technology[2]. Le persone, solitamente, considerano questascienza come "un set di gadget costosi che rendono la casa smart" e moltipensano che la domotica non sia essenziale. Probabilmente potevano averragione anni fa, ma un’analisi più approfondita di questa materia potrebbefar cambiare loro idea [3].Questa disciplina, con l’avvento dell’ Internet of Things (IoT), sta espan-dendo sempre più il suo raggio d’azione e gli obiettivi che si propone sonoquelli di:

• migliorare la qualità di vita

• aumentare la sicurezza

• aumentare il comfort

• migliorare la safety

Esistono sempre più proposte di ambienti con una fortissima componentedomotica atta ad agevolare la vita delle persone. Il fine di queste, è quello

2 Capitolo 1. Introduzione

di creare un sistema intelligente in grado di interconnettere vari dispositiviall’interno di un ambiente(temperatura, luci, sensori di movimento, etc).Grazie a questo sistema di interconnessione è possibile sia monitorare checomandare i vari oggetti connessi tra di loro.Una caratteristica importante è la possibilità di avere oggetti che agiscanoautonomamente basandosi su una serie di regole o azioni imposte dall’u-tente, per esempio: chiudere tutte le tapparelle ad una certa ora, regolarela temperatura quando si è fuori casa per ottenere un risparmio energetico.Tutte queste azioni possono essere controllate o all’interno dell’ambientestesso attraverso pannelli di controllo o, grazie al continuo sviluppo del-l’IoT, possiamo controllarli da remoto attraverso smartphone, tablet e note-book. L’unico requisito necessario è quello di possedere una connessionead Internet. Grazie a questo possiamo avere una panoramica completa diquello che sta avvenendo nel nostro ambiente non essendo presenti fisica-mente. Attraverso i nostri device possiamo connetterci al nostro sistema emonitorare in tempo reale lo stato della nostra casa o del nostro ufficio.Oltre al controllo remoto possiamo, attraverso sistemi intelligenti, ottimiz-zare i nostri consumi energetici. Con opportune regole impostate o con re-gole derivate da un apprendimento automatico, i dispositivi possono agireal posto nostro controllando costantemente le informazioni che ricevono.Basandosi su queste informazioni possono modificare il loro comportamen-to per aumentare la qualità della vita o per cercare di aumentare l’efficienzadegli edifici.

1.1. Letteratura 3

Nei prossimi paragrafi verranno analizzate alcune proposte della lette-ratura attuale e successivamente l’obiettivo di questa tesi.

1.1 Letteratura

In questa sezione verranno prese in considerazione alcune proposte riguar-danti ambienti con forte possibilità di componente domotica come l’abita-zione e l’ambiente lavorativo; le motivazioni di questa scelta saranno tratta-te nel Capitolo 2. I principali aspetti emersi dalle pubblicazioni scelte e cheverranno anche trattati in questa tesi sono i seguenti:

• progettazione verticale di un sistema domotico

• metodi di localizzazione all’interno dell’ambiente

• interoperabilità tra dispositivi

Analizziamoli ora nel dettaglio.

Progettazione verticale di un sistema domotico

L’architettura principale utilizzata per progettare questa tipologia di siste-ma è un’architettura centralizzata a stella[2][4]. I principali componenti so-no: assistenti, gateway e core. Gli assistenti sono presenti in ogni stanza e la-vorano raccogliendo informazioni dall’ambiente che li circonda. Il gatewaysi occupa di raccogliere i dati dagli assistenti e di prendere decisioni in basealle informazioni raccolte. Il core presenta le stesse funzioni del gatewayma non gli invia dati, si occupa di collezionare statistiche o controllare i varisistemi.Questo modello è pensato principalmente per edifici lavorativi, ma secon-do l’autore può essere tranquillamente adattato ad uno scenario domesticorimuovendo l’uso del gateway. Il modello proposto da Ahmed ElShafee


FIGURA 1.1: Architettura proposta da Ventylees Raj.S

and Karim Alaa Hamed consiste nell’utilizzo di tre moduli principali: ser-ver, hardware per intefacciamento e software[5]. Anche qui, come in al-tri modelli proposti viene utilizzata una tipologia di architettura centraliz-zata attraverso l’uso di un’unità di calcolo centrale, seguita da gateway esensori[2][3].Questa strategia permette di avere una visione completa della gerarchia tralivelli e del funzionamento del sistema.

Metodi di localizzazione all’interno dell’ambiente

Una questione aperta risulta essere la localizzazione degli oggetti e soprat-tutto delle persone all’interno di un ambiente. Alcune pubblicazioni sfrutta-no l’uso di un sistema infrastruttura Radio-Frequency IDentification (RFID),altre sfruttano tecnologie di Ultra Wide Band (UWB).L’utilizzo del protocollo RFID per la localizzazione avviene attraverso tage comunicazione ad infrarossi. Ogni stanza è provvista di una zona chericeve il segnale dai tag e successivamente, attraverso un server, elabora idati. Questa metodologia è risultata essere poco precisa rispetto all’uso ditecnologie UWB. Il funzionamento piattaforma UWB è pressoché identico al

1.2. Scopo della tesi 5

sistema RFID: consistente nell’utilizzo di tag all’interno di dispositivi indos-sabili, sensori di movimento posti nei soffitti, switch e server per la raccoltae l’elaborazione dei dati. Questo sistema permette di rilevare con precisionela posizione anche in presenza di ambienti complessi e ricchi di ostacoli edha permesso di individuare le persone con una accuratezza di 30cm. [6].

Interoperabilità tra dispositivi

L’interoperabilità tra dispositivi è una tematica molto varia nell’ambito del-la domotica. Non esiste uno standard comune per la comunicazione. Unasoluzione proposta da Ventylees Raj.S[3] prevede l’utilizzo misto tra Wi-Fi eZigbee, mentre altri utilizzano il protocollo XBee[7]. Questi protocolli vengo-no utilizzati a livello fisico; per quanto riguarda la raccolta e l’elaborazionedati, è emerso un protocollo su tutti: Message Queue Telemetry Transport(MQTT). La sua notorietà è dovuta al fatto che risulta essere molto leggeroe adatto a scambio di piccole quantità di dati. Il suo utilizzo verrà trattatonel Capitolo 3.

1.2 Scopo della tesi

L’obiettivo principale di questa tesi è quello di progettare e analizzare unsistema intelligente domotico da applicare a scenari quotidiani come quellodomestico e quello lavorativo. La motivazione di questa scelta è dovuta alfatto che la maggior parte delle persone trascorre il proprio tempo tra casa elavoro. Ed è proprio qui che si vogliono analizzare i benefici che la domoticapuò portare in termini di comfort e di automazione.Con questo lavoro si vuole mostrare l’importanza di questa disciplina appli-cata alla quotidianità e soprattutto mostrare come una progettazione com-pleta può essere fatta attraverso strumenti semplici e gratuiti. Viene inoltredato peso ad un aspetto che non viene messo in risalto quando si parla didomotica, ovvero i vantaggi che si potrebbero ottenere in ambito di aiuto in


caso di persone che hanno problemi di salute. Si sono volute creare alcunesituazioni ad-hoc che possono accadere in casa e in ufficio dando peso alcomportamento del sistema e dei dispositivi medici integrati, cercando cosìdi poter aiutare le persone ed evitare ulteriori complicazioni mediche.L’integrazione dei device con il sistema e la loro eterogeneità ha portato allaluce un problema di interoperabilità tra di essi che verrà trattato nel Cap.3.Dopo la fase di progettazione si passerà alla fase di realizzazione e simu-lazione. Non disponendo di un vero scenario nel quale testare le idee pro-poste, verrà utilizzato un framework di simulazione gratuito che consentiràdi testare le proposte fatte: Freedomotic. Grazie ad esso è sarà possibilesviluppare il progetto e analizzare i comportamenti del sistema. L’insiemedi queste fasi mostrerà un connubio tra idee di ambienti domotici e possi-bili implementazioni che potranno essere usate per una futura realizzazio-ne pratica del sistema pensato, mostrando così la possibilità di risparmiaretempo e denaro sia in fase di progettazione che in fase di configurazione.

La fase di progettazione verrà discussa nel Capitolo 2, mentre la fase direalizzazione verrà discussa nel Capitolo 3. Il Capitolo 4 parlerà principal-mente del risultato ottenuto e degli sviluppi futuri.

7

Capitolo 2

Design pattern e progettazione

In questo capitolo parleremo dei design pattern progettuali individuati du-rante il lavoro e delle idee riguardanti l’inserimento di un sistema intelli-gente domotico in un ambiente domestico e in un ambiente lavorativo. Lascelta è ricaduta su questi due scenari perché è qui che la maggior partedelle persone trascorre il proprio tempo. L’inserimento della componentedomotica in questi due ambienti potrebbe veramente migliorare la qualitàdel tempo trascorso al loro interno.Nei prossimi paragrafi analizzeremo i design pattern di progettazione esuccessivamente gli scenari proposti.

2.1 Analisi progettuale

La progettazione di un sistema domotico richiede come primo passo la ste-sura di una sua architettura. Per entrambi gli scenari è stata scelta un’ar-chitettura centralizzata (vedi fig.2.1 e fig.2.2) simile alle idee già proposte inletteratura (vedi par. 1.1). Entrambe utilizzano un paradigma client\serverdove è presente un’unità di calcolo centrale che può raccogliere dati attra-verso gateway(chiamati controllori) ed i dati raccolti sono forniti da sensorio dispositivi come gli elettrodomestici. Analizziamo prima quella riguar-dante l’ambiente domestico e poi quella riguardante l’ambiente lavorativo.Il sistema previsto per l’ambiente domestico, prevede un’elaborazione datibasata su un cloud esterno, un gateway centrale nell’abitazione ed una serie

8 Capitolo 2. Design pattern e progettazione

di pannelli di controllo situati in ogni stanza. E’ possibile inoltre regolarele varie azioni o controllare i valori rilevati dai vari sensori da remoto conun’applicazione dedicata per smartphone o accedendo al sito web relativoal proprio sistema, fornito sempre grazie all’utilizzo del cloud esterno. Lascelta dell’esternalità dell’elaborazione dati e del controllo software è dovu-ta principalmente alla fase di manutenzione e aggiornamento del sistema.In caso di problemi hardware o software, l’azienda fornitrice del serviziopuò accorgersi immediatamente del malfunzionamento e recarsi in loco perfornire assistenza, evitando così che il cliente debba provvedere alla manu-tenzione. La differenza rispetto alle proposte di letteratura risulta essereproprio questa, tutte prevedono un sistema centralizzato nell’edificio dovela domotica viene applicata, non tenendo conto di futuri interventi di ma-nutenzione.Lato ufficio, il server contente i dati raccolti l’unità di elaborazione non so-no esterni ma vengono installati internamente all’edificio. L’interazione trautente e sistema è divisa in due parti: l’amministratore del sistema a cuiè consentito il controllo completo del sistema e il dipendente che può solomodificare parametri ambientali per migliorare il proprio comfort. Nell’uf-ficio, solo l’amministratore ha il pieno controllo dell’intero sistema. Nel-la fase di configurazione degli scenari che vedremo successivamente, sonostati identificati due tipi di comportamento da parte del sistema e sono:

• comportamento passivo: riguarda azioni che il sistema effettua peravvisare le persone che qualche evento è avvenuto o sta per accade-re. Questo comportamento non implica un intervento del sistema inmaniera autonoma ma solo un’azione di avviso.

• comportamento attivo: implica un’azione autonoma da parte del si-stema. Esso reagisce ad un evento in maniera automatica. L’azioneche viene compiuta può essere preimpostata dall’utente o ottenuta at-traverso tecniche di apprendimento applicate al comportamento dellepersone che occupano l’ambiente.

2.2. Scenari 9

La suddivisione ci sarà utile per comprendere al meglio la differenza tra icomportamenti che non agiscono e svolgono una funzione preventiva e icomportamenti che agiscono autonomamente.Addentriamoci ora nello specifico delle situazioni proposte.

LUMINOSITA TEMPERATURA PROSSIMITA

SENSORS

WI-FI BLUETOOTH NFCETHERNET

COMMUNICATION MODULE

ZIG-BEE MQTT

CORE CENTRALE

DATABASE(log, user profile)

CONTROLLORE STANZA N

CONTROLLORE STANZA 1

CONTROLLORE STANZA 2

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CLOUD ESTERNO

FIGURA 2.1: Proposta architettura casa

2.2 Scenari

Nei precedenti capitoli abbiamo discusso alcune proposte presenti in lette-ratura. Ora invece verranno analizzati gli scenari e le scelte fatte in fase diprogettazione per il comportamento del sistema.Lo scenario domestico si concentra sulle funzionalità base di un impiantodomotico(temperatura, controllo consumi elettrici etc) e, in aggiunta, ci si èvoluti focalizzare sull’assistenza sanitaria domestica che spesso non viene


LUMINOSITA TEMPERATURE PROSSIMITA

SENSORS

WI-FI BLUETOOTH NFCETHERNET

COMMUNICATION MODULE

ZIG-BEE MQTT

CORE CENTRALE

DATABASE(log, user profile)

CONTROLLORE RELAX ROOM

CONTROLLORE UFFICIO

CONTROLLORE MEETING

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SERVER CENTRALE AZIENDA

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ZONA SERVER

FIGURA 2.2: Proposta architettura ufficio

trattata. Questa situazione è ricorrente in alcune famiglie se pensiamo ma-gari a genitori che vivono con i figli. Potrebbero esserci persone che presen-tano malattie croniche, le quali possono venire tranquillamente controllatea casa senza l’aiuto di assistenza ospedaliera o personale qualificato.

Lo scenario lavorativo, invece, tratta un ufficio suddiviso in quattro zo-ne: hall, sala d’attesa, sala conferenza e back end lavorativo. Ognuna diqueste avrà una particolare situazione che verrà illustrata successivamente.

2.2.1 Ambiente domestico

In questo paragrafo descriveremo l’ambiente domestico progettato. Partire-mo da una descrizione dello scenario e successivamente passeremo le azioniimpostate. Una parte importante sarà dedicata alla descrizione dei deviceconnessi e alle azioni che comportano, le quali risulteranno essere parte inte-grante del funzionamento del sistema. L’ambiente domestico è stato diviso

2.2. Scenari 11

in due categorie che si differenziano tra di loro in base al livello di dispo-sitivi medici e controlli presenti. In entrambe le suddivisioni il sistema pri-vilegia le persone con problematiche rispetto alle persone sane perché sonoproprio quelle con patologie che hanno bisogno di una maggiore attenzio-ne. Il privilegio si riassume nel fatto che qualsiasi azione richiesta da coloroche presentano problematiche verrà eseguita prima rispetto ad altre azionichieste da persone sane.

Livello a basso impatto

Lo scenario domestico è composto da classica abitazione composta da: duebagni, garage, salotto, cucina, camera da letto e ufficio(vedi fig.2.1). All’in-terno di queste stanze sono state inserite, a secondo dell’utilizzo, un insie-me di dispositivi interconnessi atti ad aumentare il comfort interno. I devi-ce connessi sono: rilevatore di gas, lampadine elettriche, forno, frigorifero,termometri, termostati, condizionatori, letti e poltrone reclinabili, lavatrice,lavastoviglie, vasca da bagno, contatore e porte intelligenti. Oltre a questidispositivi sono state previste prese elettriche intelligenti.Tutti questi oggetti comportano una serie di azioni inserite nel sistema cheverranno distinte tra attive e passive. I comportamenti del sistema riguar-dano l’utilizzo di una strategia armonizzata tra persona/oggetto e perso-na/ambiente, dove per strategia armonizzata si intende i modi di agire delsistema nei vari contesti. Elenchiamo ora le azioni più importanti progetta-te:

• controllo livello acqua vasca da bagno: una persona apre l’acqua nel-la vasca da bagno e nel frattempo occupa il suo tempo con altre com-missioni. Quando l’acqua raggiunge la soglia del 95% scatta il control-lo inserito nel sistema, che esegue il blocco dell’uscita evitando così diallagare il bagno. Questo tipo di azione è inserita nella categoria com-portamento attivo perché il sistema agisce al posto dell’utente secondouna regola preimpostata.


• segnalazione soglia consumo energetico: ogni oggetto elettrico colle-gato ad una presa consuma una determinata quantità di Watt. Graziealla prese intelligenti è possibile monitorare in tempo reale il consumo.Considerando che un’utenza abitativa possiede un consumo massimodi 3kW/h, quando questa raggiunge il 95% della potenza totale vienesegnalata attraverso una notifica sul pannello di controllo che si staper superare la soglia.Questo comportamento viene inserito nella lista dei comportamentipassivi perché esso si limita a ricordare alle persone che stanno persuperare la quantità di potenza a loro disposizione. Non compie azio-ne di spegnimento di oggetti elettrici perché non conosce quali sonorealmente in uso e quali no.

• spegnimento automatico forno: questo comportamento appartienealla categoria delle azioni attive. Nel caso in cui si voglia cucinareuna qualsiasi pietanza che abbia bisogno di tempo e temperatura pre-cisi l’utente può impostare questi parametri ed accendere il forno. Sepoi dovesse dimenticarsi di spegnere per tempo il forno, rischierebbedi rovinare il piatto, ecco che qui il sistema agisce per conto dell’utentespegnendo il forno in maniera automatica.

• accensione\spegnimento luce stanze: ogni stanza è configurata peraccendere o spegnere le luci a seconda della presenza di una o piùpersone al suo interno grazie a sensori di presenza. Questa azioneviene classificata come attiva.

• controllo temperatura: nelle stanze principali sono presenti un senso-re di temperatura, un termostato e un condizionatore. Il sensore rilevala temperatura e la comunica al termostato, se questa risulta esserediversa dalla temperatura settata, scatta automaticamente l’attivazio-ne del condizionatore per scaldare o raffreddare la stanza risultandoessere un azione attiva.

2.2. Scenari 13

• rilevamento gas: ogni stanza è dotata di un rilevatore di gas collega-to al sistema. Appena i sensori rilevano del fumo scatta l’allarme diavviso per l’utente e viene bloccata l’erogazione di gas, segnalando at-traverso il pannello di controllo l’emergenza. Qui siamo in presenzadi un comportamento ibrido perché è presente sia un azione passiva(notifica) che un azione attiva (spegnimento gas).

• controllo lavatrice: la lavatrice pensata risponde a comandi da re-moto e aggiorna in tempo reale l’utente sullo stato di un lavaggio.E’ inoltre possibile impostare i parametri per un lavaggio completo:temperatura, giri centrifuga, programma capi e timer.

• controllo frigo: anche il frigo è controllabile da remoto come gli altrioggetti. Qui è possibile conoscere la temperatura del frigo e del freezered impostarle a proprio piacimento.

Terminate le azioni riguardanti l’ambiente, passiamo ora alle azioni che ri-guardano l’assistenza medica all’interno della casa. Per questo livello sonostate scelte due patologie mediche comuni: ipertensione e glicemia. Essepossono essere costantemente monitorate attraverso due dispositivi medici,il sfigmomanometro e lo glucometro. Rendendo questi device interconnes-si con il sistema si possono costantemente tenere sotto controllo pressione elivello di glucosio presenti nel sangue. Quando questi sono misurati, il siste-ma confronta i valori rilevati con i valori ottimali. Nel caso in cui dovesserorisultare leggermente differenti, viene notificato all’utente di assumere i far-maci prescritti.Questo comportamento è comune ad entrambi gli oggetti e rientra nellacategoria di comportamento passivo.

Livello a medio impatto

Questo livello, come il precedente, si occupa di simulare la maggior partedelle azioni che accadono nella quotidianità domestica. Esso include tutte


le caratteristiche descritte precedentemente, aggiungendo ulteriori oggetti eazioni che riguardano persone con problemi di salute maggiore.Questo scenario è stato progettato per far fronte ad un livello di assistenzasanitaria superiore. E’ possibile avere una o più persone in casa con proble-mi di salute più importanti rispetto ai precedenti, quali: problemi cardiacie problemi respiratori. Anche queste patologie possono essere monitora-te attraverso dispositivi medici che potrebbero essere connessi al sistemadomotico. I dispositivi sanitari che vanno ad aggiungersi a quelli già vi-sti(sfigmomanometro e glucometro) sono: cardiofrequenzimetro e saturi-metro.A corredo di questi dispositivi medici, e vista l’importanza delle nuove pa-tologie previste, è stato inserito un sistema di telesoccorso ed un sistema dirilevamento cadute composto da sensori di movimento. In caso di problemigravi o di caduta da parte di una persona problematica, il sistema inoltra im-mediatamente una chiamata d’emergenza al pronto soccorso. Analizziamoora le integrazioni del cardiofrequenzimetro,dell’saturimetro e del telesoc-corso con il sistema domotico. Descriviamo ora brevemente le funzionalitàdei due oggetti aggiunti.

Il cardiofrequenzimetro è un dispositivo che misura i battiti cardiaci. Sonopresenti delle azioni collegate alla rilevazione di valori anomali riguardantiil battito cardiaco. Le azioni scattano quando si scende sotto una soglia mi-nima o si supera la soglia massima. Quando si scende al di sotto di 60 battitiper minuto o si superano i 120 scatta immediatamente il sistema di prontosoccorso per evitare perdita di tempo in caso di situazioni critiche.

L’ossimetro è un dispositivo che rileva la percentuale di ossigeno all’in-terno del sangue. In questo scenario sono previste due casistiche per i valoririlevati: ipossia lieve ed ipossia grave. La prima si ha quando la percentualedell’ossigeno nel sangue rilevata è compresa tra 89% e 95%, mentre la secon-da si ha quando il valore risulta essere inferiore al 89%. Nel caso di ipossia

2.2. Scenari 15

lieve viene consigliato alla persona di assumere i farmaci prescritti, mentrenel secondo caso viene attivato il telesoccorso.

Le azioni che il sistema esegue risultano essere di tipo passivo nel casodi ipossia lieve e di tipo attivo nel caso si abbiano problemi di cuore o diipossia grave. Questa scelta è stata fatta per differenziare la gravità delleproblematiche.

FIGURA 2.3: Esempio design ambiente domestico

2.2.2 Ambiente lavorativo

Trattiamo ora lo scenario di un ambiente lavorativo. Si è voluto capire comeun ufficio possa adattarsi alle nuove tecnologie di domotica e IoT. Il con-testo risulta essere molto dinamico a causa del continuo movimento al suointerno.Lo scenario ideato è composto da sei stanze: hall d’accoglienza, sala d’atte-sa, sala conferenze, ufficio di lavoro e due bagni, uno nella sala d’attesa el’altro nella zona lavoro(vedi fig.2.2). La configurazione di base del sistemacomprende anche qui, come nello scenario domestico, un controllo dell’effi-cienza energetica tramite prese intelligenti e un controllo della temperaturabasato sulla presenza di persone nelle stanze. Queste azioni servono per


migliorare l’efficienza complessiva nel sistema che risulta essere una pro-blematica importante[4][8]. Sono previsti anche rilevatori di gas per ognistanza, per evitare il propagarsi di un incendio all’interno dell’edificio.Nel sistema sono impostate delle azioni riguardanti l’assistenza sanitaria inambito lavorativo. Può capitare che, all’interno di un ufficio, una personapossa non sentirsi bene. Per determinare il comportamento del sistema, inquesto tipo di situazione, si è partiti dal presupposto che in ogni aziendasia presente una figura che abbia un attestato di primo soccorso. Sulla basedi questa ipotesi, se qualcuno dovesse sentirsi male, viene immediatamenteavvisata la persona incaricata e gli viene comunicata la posizione a cui sideve recare. Questi avvisi vengono inoltrati attraverso notifiche su smart-phone o su notebook. Nel caso in cui le condizioni del soggetto che si èsentito male risultano essere gravi viene attivato il sistema di telesoccorso.Descritte le azioni di base, passiamo alle configurazioni relative alle stan-ze. La sala d’attesa è configurata per rendere più confortevole la visita agliospiti. Sono inseriti dei monitor a muro che si comportano come dei quadria tema. Conoscendo la nazionalità degli ospiti, essi si configurano automa-ticamente mostrando immagini in sintonia con la loro cultura. Nella stanza,inoltre, sono stati inseriti una televisione ed un gruppo di tablet opportu-namente configurati per accendersi solo in presenza di persone e spegnersialtrimenti. E’ installata anche una copertura Wi-Fi con accesso ad internet.Tutte queste azioni sono categorizzate come azioni attive.La sala conferenze presenta un tablet per ogni postazione, una televisioneed uno scudo luminoso per filtrare la luce. Quando la sala viene usata peruna riunione, vengono inviati i documenti utili a tutti i dispositivi e lo scu-do luminoso si attiva schermando la luce, rendendo l’ambiente consono aduna riunione. Le azioni presenti in questa stanza fanno parte della categoriadei comportamenti attivi perché agiscono autonomamente senza richiederel’azione da parte dell’amministratore.La zona lavoro è configurata anch’essa con scudi luminosi per non affatica-re la vista dei lavoratori. Sono presenti scrivanie intelligenti che avvisano i

2.2. Scenari 17

dipendenti quando tendono a rimanere troppo attaccati ad un computer di-minuendo la produttività a causa della stanchezza. L’azione riguardante loscudo luminoso è classificata come azione passiva, mentre la seconda comeazione attiva.

FIGURA 2.4: Esempio design ambiente lavorativo

Ora che gli scenari sono stati descritti passiamo alla realizzazione di questoprogetto. Nel capitolo 3 verrà discusso come sono stati realizzati e simulatigli ambienti attraverso il framework di lavoro scelto e illustrato il protocolloutilizzato per garantire l’interoperabilità e la comunicazione tra i dispositivi.

19

Capitolo 3

Realizzazione scenari

In questo capitolo parleremo inizialmente del framework utilizzato per larealizzazione delle idee proposte: Freedomotic. Analizzeremo la sua archi-tettura e le funzionalità offerte che hanno permesso la realizzazione degliscenari. Successivamente entreremo nel dettaglio del protocollo MQTT, unprotocollo specifico per IoT, supportato dal software utilizzato; questo ciconsentirà di connettere dispositivi, interni all’ambiente, con il sistema. Nellultima parte del capitolo, verrà discussa la realizzazione finale del progetto.

3.1 Freedomotic

3.1.1 Cos’è Freedomotic

Il software scelto per realizzare l’idea di questa tesi è Freedomotic. E’ un fra-mework open-source, gratuito che permette di disegnare e progettare sce-nari ed utilizzare domotica al suo interno. E’ possibile creare qualsiasi tipodi ambiente: dalla singola cameretta ad una casa intera ad un ufficio.Il punto di forza di questo programma è la possibilità di integrarsi con moltiprotocolli specifici di IoT vedi MQTT(Cap.3.2) ed utilizzarli per far comu-nicare gli oggetti virtuali con quelli reali; ovvero avere un modello dellapropria idea sul software e riproporla nella realtà tale quale la progettazio-ne fatta in precedenza.E’ possibile installare Freedomotic sulle seguenti piattaforme:

20 Capitolo 3. Realizzazione scenari

• Linux

• Windows

• Mac

• Raspberry Pi

Altro punto forza di questo software è, come si può notare, la portabilità.Portabilità raggiunta grazie all’utilizzo di Java come linguaggio di sviluppo.Gli sviluppatori di Freedomotic si sono posti una mission con lo sviluppodi questo framework ed è la seguente:"Develop an application framework which reduces effort and time to maket requiredto produce solutions based on the Internet of Things concept. This means we aremaking the environment aware of the People and the Things in it. Things can reacha new level of usefulness thanks to their new connected nature, allowing them toleverage the web and all the information based Services it provides."[9]Ovvero cercare di realizzare un software che riduca il tempo e gli sforzi perprogettare e sviluppare un ambiente basato sul concetto di IoT.Analizziamo ora il suo funzionamento.

3.1.2 Primo impatto

Il primo impatto con Freedomotic è quello di aver di fronte un softwaremolto semplice e adatto alla progettazione di ambienti. Come si può nota-re dall’immagine 3.1, esso si presenta con due interfacce: riga di comando euna GUI(Graphical User Interface) che risulta essere un plugin installato sulcore centrale, che può essere anche disabilitato mantenendo solo l’utilizzodella riga di comando. La versione per non sviluppatori non fornisce l’av-vio da riga di comando ma consente di avviare il programma solo da fileeseguibile. L’interfaccia a riga di comando ci permette di visualizzare tuttigli avvenimenti che accadono all’interno del framework.La GUI presenta sulla sinistra un frame che visualizza la lista dei plugin o

3.1. Freedomotic 21

FIGURA 3.1: Schermata iniziale freedomotic

la lista degli oggetti inseribili nell’ambiente. Da qui è possibile inserire glioggetti nell’ambiente sul frame di destra e cominciare a disegnare la propriaidea.Nella sezione successiva ci addentreremo meglio nel funzionamento delsoftware e analizzeremo le due componenti principali: framework e plugin.

3.1.3 Struttura

La struttura principale di Freedomotic è composta da due parti fondamen-tali: framework e plugin. Analizziamole ora nel dettaglio.

Framework

• implementa un sistema indipendente di scambio messaggi in manie-ra tale da favorire l’utilizzo di un linguaggio di comunicazione traoggetti che lo sviluppatore conosce di più (JSON, XML ecc...).

• mantiene una struttura dati degli oggetti e degli ambienti che si sonocreati


FIGURA 3.2: Architettura freedomotic

• crea un layer di astrazione cosicché utenti o software esterni possa-no utilizzare una logica ad alto livello per comunicare con gli oggetticreati nel software.

• fornisce un motore di regole unito ad un sistema linguaggio di naturalprocessing che permette allo sviluppatore o all’utente di definire rego-le con l’utilizzo di comandi e trigger. Questa parte verrà approfonditamaggiormente nelle sezioni successive.

Plugin

I plugin sono parti essenziali all’interno dell’intero software. Possono es-sere sviluppati indipendentemente dal funzionamento del core principalee possono essere successivamente integrati sfruttando le API [10] messe adisposizione.Una volta creati e compilati, vengono installati nel framework e sarannopronti all’utilizzo al primo avvio.

3.1. Freedomotic 23

All’interno di freedomotic i plugin si dividono in due categorie: Object plu-gin e Device plugin. I primi servono per creare o modellare oggetti all’in-terno dell’ambiente mentre i secondi servono o per mettere in comunica-zione hardware esterno con il core o per sviluppare nuove idee da applicareagli scenari creati. L’immagine seguente illustra meglio l’utilizzo dei plugin.all’interno del software.

FIGURA 3.3: Schema utilizzo plugin

Events, commands, triggers e reactions

Freedomotic e i plugin inviano eventi nel messaging bus quando avvienequalcosa all’interno dell’ambiente. Questo qualcosa può significare un cam-biamento di stato di un oggetto o di cambiamento di condizione all’internodelle varie stanze. Una volta che il cambiamento viene segnalato nell’appo-sito canale, gli oggetti interessati possono catturarlo e cambiare il proprio


if bathtub water level is 95%︸︷︷︸TRIGGER

then turn off bathtub︸︷︷︸COMMAND︸︷︷︸

REACTION

FIGURA 3.4: Esempio reaction in Freedomotic

comportamento .Ogni oggetto può essere programmato con dei comportamenti detti Beha-vior[11]; oltre ai behavior si possono scrivere dei comandi che esso puòsvolgere (Turn on light, set brightness ecc) e assieme a questi si possonocreare dei trigger che vengono attivati a delle determinate condizioni chelo sviluppatore o un utente impone (Every five second, At 8.00 AM). E’ di-sponibile anche un plugin Automation editor che svolge le stesse funzioni diinstallazione dei trigger senza l’ausilio della programmazione. Il vantaggiodi questo plugin è la facilità d’uso da parte dell’utente; lo svantaggio è chenon si possono precaricare reazioni predefinite fin dal primo avvio del pro-gramma, cosa che risulta essere molto scomoda se il numero di funzioni daimpostare è elevato.La combinazioni di comandi e trigger compongono una reactions, questereazioni aiutano a programmare e adattare al meglio l’oggetto desideratoall’interno dell’ambiente. E’ possibile inoltre settare più azioni da eseguireallo scatto di un trigger (multi commands).Il vantaggio di questo sistema di natural processing, utilizzato per comporretrigger, comandi e reazioni, è la possibilità di poter utilizzare un linguaggiod’alto livello per settare i comportamenti degli oggetti, evitando così di do-ver scrivere codice a basso livello.Vediamo ora un esempio di struttura di una reaction:Sia i comandi, i triggers e le reazioni sono dei file di testo che vanno inseriti

all’interno di cartelle specifiche presenti nella directory del plugin. Vediamoora degli esempi semplici per programmare queste funzioni.

3.1. Freedomotic 25

LISTING 3.1: Trigger

1 < t r i g g e r >2 <name>When Bathtub water Level i s 95%</name>3 < d e s c r i p t i o n >bad l e v e l of water</ d e s c r i p t i o n >4 <channel>app . event . sensor . o b j e c t . behavior . change</channel>5 <payload>6 <payload>7 <statement>8 < l o g i c a l >AND</ l o g i c a l >9 < a t t r i b u t e > o b j e c t . behavior . waterLevel</ a t t r i b u t e >

10 <operand>GREATER_THAN</operand>11 <value>94</value>12 </statement>13 </payload>14 </payload>15 </ t r i g g e r >

LISTING 3.2: Command

1 <command>2 <name>Turn Bathtub o f f </name>3 < r e c e i v e r >app . events . sensors . behavior . request . o b j e c t s </

r e c e i v e r >4 < d e s c r i p t i o n >Turn Turn Bathtub o f f </ d e s c r i p t i o n >5 <delay>0</delay>6 <timeout>0</timeout>7 < p r o p e r t i e s >8 < p r o p e r t i e s >9 <property name=" o b j e c t " value=" Bathtub "/>

10 <property name=" behavior " value=" waterLevel "/>11 <property name=" value " value=" 95 "/>12 </ p r o p e r t i e s >13 </ p r o p e r t i e s >14 </command>


LISTING 3.3: Reaction

1 < r e a c t i o n >2 < t r i g g e r >When Bathtub water Level i s 95%</ t r i g g e r >3 <sequence>4 <command>Turn Bathtub o f f </command>5 </sequence>6 </ r e a c t i o n >

Questo esempio forma una reaction che viene attivita al raggiungimento diun determinato livello d’acqua nella vasca da bagno. Una volta che il beha-vior waterLevel, appartenente all’oggetto bathtub, raggiunge una soglia pre-determinata (95%) scatta il comando che blocca l’uscita d’acqua dalla vasca.Come si può notare dagli esempi, il linguaggio usato per scrivere questefunzioni è XML .

3.2 MQTT per IoT

Mqtt è un protocollo di comunicazione M2M (machine-to-machine) che sipone sopra al protocollo TCP/IP, il suo acronimo è il seguente Message QueueTelemetry Transport. Viene utilizzato nell’ambito IoT perché risulta essere unprotocollo semplice, affidabile, leggero e aperto (royal free). E’ stato ideato perscambiare una grande quantità di messaggi tra macchine non appesantendola rete ed evitando il "polling" dei dispositivi che lo utilizzano.E’ utile per connessioni remote dove la banda è scarsa e il dato da invia-re richiede pochi byte; per esempio, viene utilizzato per comunicazioni trasensori o in uno scenario di device con poca capacità computazionale.[12]Nei paragrafi successivi verrà trattata la struttura del protocollo MQTT neisuoi aspetti principali e successivamente verrà discusso l’utilizzo di questoprotocollo all’interno del software Freedomotic.

3.2. MQTT per IoT 27

3.2.1 Modello publish - subscribe

Il modello utilizzato per il protocollo MQTT risulta essere il modello Pu-blish - Subscribe. Esso è un messaging pattern dove colui che invia il mes-saggio (chiamato publisher) non programma l’invio direttamente allo spe-cifico ricevente (chiamato subscriber), ma pubblica il messaggio su un topicall’interno di un oggetto chiamato broker.[13]Il broker è un componente che si occupa di effettuare il matching tra pu-blisher e subscriber ed una volta effettuato, consegnerà il messaggio al de-stinatario corretto. La comunicazione tra i vari componenti è asincrona ebidirezionale ovvero la consegna e lettura del messaggio avverranno quandoil dispositivo si troverà in una situazione che gli garantirà la ricezione e lalettura dei dati arrivati. Nel caso in cui un dispositivo non possa ricevere im-mediatamente un messaggio di un topic a cui è iscritto, il messaggio verràcongelato e consegnato appena possibile, evitando così di perdere messag-gi a causa dell’impossibilità di ricezione da parte del destinatario. Questomeccanismo garantisce un livello di QoS.

3.2.2 QoS

Il QoS è una caratteristica molto importante di questo protocollo, in quantorende più semplice, attraverso il meccanismo di ri-trasmissione, lo scambiodi messaggi attraverso reti con bassa qualità[14].Esistono 3 livelli di QoS:

• QoS 0 - at most once: questo livello garantisce best effort delivery peril messaggio. E’ chiamato anche fire & forget perché non prevede laconferma di ricezione.

• QoS 1 - at least once: il messaggio viene consegnato almeno una voltaal ricevente.


FIGURA 3.5: Modello Publish-Subscribe

• QoS 2 - exactly once: garantisce la consegna del messaggio una eduna sola volta al ricevente. E’ il livello di qualità più sicuro e più len-to. Come si può notare dalla fig 3.6, QoS 2 è garantito da due flussipublish e receive.

FIGURA 3.6: Schema QoS

3.2. MQTT per IoT 29

3.2.3 Topic

Il topic è una stringa usata dal broker per filtrare i messaggi per ogni clientconnesso. Un topic può avere uno o più livelli. Ogni topic è separato dalcarattere forward slash. In confronto ad una coda di messaggi, un topic è

FIGURA 3.7: Scrittura topic

molto leggero. Non c’è bisogno di crearne uno nuovo prima di pubblicareo sottoscriverne uno perché è il broker che si occupa di accettare ogni topicvalido senza bisogno di un’inizializzazione.Il suo nome deve contenere almeno un carattere, può contenere spazi ed ècase-sensitive. Esiste un operatore speciale # che permette di sottoscriverepiù livelli di un topic, esso è detto multilevel. Un client che sottoscrive untopic utilizzando il multilevel riceverà tutti i messaggi che cominciano perun dato pattern prima del carattere #. Come si può notare dall’immagine

FIGURA 3.8: Topic multilevel

3.8, colui che è sottoscritto a questo topic riceverà informazioni da tutti ilivelli sottostanti al topic freedomotic.


Sicurezza

Si sta La sicurezza nel mondo IoT è molto importante a maggior ragionequando si tratta di interagire con un ambiente personale. Attualmente ognidevice ha la possibilità di connettersi ad Internet per comunicare e scambia-re informazioni per poi successivamente ottimizzare processi, migliorare ilnostro stile di vita ed aumentare il nostro comfort. In un ambiente domoticola sicurezza degli oggetti connessi è molto importante perché essi raccolgo-no informazioni sul nostro stile di vita e informazioni personali. Proteggerequesti dati da malintenzionati risulta essere fondamentale per aumentare lapropria privacy.La sicurezza in MQTT è divisa in questi layer application level, transport le-vel, network level. Ogni layer previene differenti tipi di attacchi. Non tut-ti i meccanismi di sicurezza sono presenti ma solo alcuni, i quali però of-frono sicurezza allo stato dell’arte. Analizziamo ora la sicurezza nei layerinteressati:

• application level: in questo layer troviamo come meccanismo di sicu-rezza l’autenticazione. Viene fornito una login attraverso l’utilizzo diusername e password. L’implementazione varia a seconda del brokerutilizzato. I meccanismi più usati risultano essere l’utilizzo del certifi-cato X.509 o l’utilizzo meno sicuro di id affiancati alle credenziali.

• transport level: qui viene utilizzato o il protocollo TLS o il protocolloSSL. Questo meccanismo non riguarda MQTT ma riguarda il protocol-lo TCP/IP. In alternativa all’utilizzo di questi è disponibile una cifra-tura del pacchetto MQTT attraverso l’utilizzo di algoritmi di cifraturasimmetrica o assimetrica.Lo svantaggio nell’utilizzo di encryption per i pacchetti MQTT è l’u-tilizzo di ulteriori risorse, quindi consumo maggiore di energia in di-spositivi con capacità di calcolo e batteria limitate.

3.3. Applicazione pratica 31

• network level: in questo livello vengono utilizzate VPN per collegareclient e broker.

MQTT fornisce molte possibilità per renderlo sicuro ma non esiste ancorala combinazione perfetta e la sicurezza, molto spesso, dipende dai casi diutilizzo. [15]

3.3 Applicazione pratica

Parliamo ora di come sono stati realizzati gli scenari attraverso l’uso di Free-domotic. Per la realizzazione, sono stati scritti due plugin che identificanogli ambienti progettati.La parte iniziale si è concentrata inizialmente sulla creazione degli scena-ri: abitazione e ufficio. Essi sono stati disegnati grazie all’editor grafico adisposizione. Successivamente si è passati alla realizzazione degli ogget-ti non presenti nella suite iniziale che verranno poi inseriti all’interno deldesigner all’avvio del plugin. Le reazioni viste nel Cap. 2 sono distribui-te all’interno degli oggetti, all’interno del codice come controlli runtime dideterminati parametri e come combinazione di trigger e commands che for-mano una reaction. Quelle scritte all’interno del plugin riguardano princi-palmente l’interazione ambiente-persona. Questo è dovuto al fatto che nonè possibile, attraverso il solo uso di oggetti, creare un sistema che racchiudatutti gli aspetti descritti in precedenza; è necessaria una maggiore integra-zione tra ambiente e reazioni che è possibile ottenere solo attraverso funzio-ni programmate internamente al software. Per una completa simulazione,sono stati inseriti all’interno del plugin la creazione e il posizionamento dipersone nel designer. Gli oggetti che rappresentano le persone sono sta-ti modificati per simulare una condizione di malessere prevista nella faseprogettuale. Per quanto riguarda la gestione della priorità nell’esecuzionedi azioni il sistema controlla prima chi effettua una richiesta, se questa do-vesse venire da parte di una persona con problematiche, essa viene favorita


rispetto ad un’azione voluta da una persona sana. Per esempio: se la perso-na con problematiche setta la temperatura dell’ambiente ad un certo valoree quella in salute vuole modificarla ad un valore differente, il sistema nonaccoglie quest’ultima lasciando la temperatura invariata rispetto all’impo-stazione precedente. In generale l’identificazione di una persona avvieneattraverso il controllo di un parametro apposito dell’oggetto, che ne identi-fica lo stato (sano, problematiche leggere, problematiche gravi).Configurati tutti i dispositivi necessari ci troviamo di fronte ad uno scenariostatico privo di movimento. Per simulare al meglio i movimenti delle per-sone è stato necessario creare un nuovo plugin che permette di impostareun movimento guidato attraverso le stanze presenti. Grazie al moto dellepersone attraverso le stanze ed alle reazioni impostate, risulta essere ben vi-sibile il comportamento del sistema che è stato progettato (vedi Cap.2).A completare la configurazione si è reso necessario utilizzare MQTT comeprotocollo di comunicazione per controllare da remoto l’ambiente. Al gior-no d’oggi grazie a smartphone, tablet e notebook accedere ai nostri sistemiè diventato molto facile anche se non siamo collegati direttamente a loro.Questo ci permette di avere un maggiore controllo sui nostri dispositivi an-che se non siamo a casa.Freedomotic consente l’invio di dati da remoto. Per far questo esso disponedi vari plugin che consentono la connessione dall’esterno, tra questi sonopresenti un broker MQTT e un client MQTT. Essi sono entrambi scheletriche consentono un utilizzo basilare della comunicazione tra oggetti all’in-terno e all’esterno dell’ambiente di simulazione.Per configurare gli oggetti in modo tale da ricevere e trasmettere dati at-traverso MQTT, bisognare settare l’impostazione d’ascolto dal pannello diognuno di essi. E’ presente una limitazione nella struttura del client: nonè possibile inviare più parametri di configurazione attraverso un singolomessaggio. Questo ostacolo è stato superato grazie ad una modifica delclient che verrà descritta nel par. 3.3 Nei paragrafi successivi verrà illustra-to come viene utilizzato il protocollo MQTT per comunicare con gli oggetti


all’interno dei vari scenari e verranno descritti brevemente i software ester-ni adoperati che lo sfruttano per simulare molteplici condizioni all’internodegli ambienti.

Software utilizzati

I software utilizzati per il controllo da remoto dell’ambiente sono:

• client MQTT [16]

• Mosquitto broker [17]

• MQTT spy [18]

• MQTTool[19]

Successivamente verranno elencate le modifiche e i modi d’uso dei varisoftware per adattarli ai vari scenari previsti.

Client MQTT

Il client MQTT fornito è programmato in Java ed utilizza le API apposite peril servizio MQTT: Eclipse Paho Java Client[20]. Esso risulta essere un mo-dello base essenziale che permette la sottoscrizione e la ricezione di valoridirettamente del broker. Il nome del topic a cui ogni oggetto fa riferimentoè formato da freedomotic/nome_ oggetto. Questa scelta è stata fatta per identi-ficare meglio il contesto a cui si fa riferimento. Il contenuto del messaggioè composto da un solo parametro di configurazione, senza specificare qualesia. Viene automaticamente indirizzato al behavior settato in ascolto.Come scritto in precedenza, questo approccio pone delle limitazioni per-ché se un oggetto dovesse possedere più parametri di configurazione dapoter settare (es. temperatura forno e timer accensione) risulta impossibilepoterlo fare. Una correzione importante è stata quella di riscrivere un nuo-vo client MQTT che accettasse l’invio di più dati agli oggetti presenti nellasimulazione. La possibilità di gestire più parametri è data dall’utilizzo di


espressioni regolari; la formula utilizzata per la composizione del payloaddel messaggio è la seguente:

NOME_BEHAV IOR : V ALORE; (3.1)

Con il codice 3.4 vine mostrato un esempio di messaggio inviato ad unalampadina sfruttando il nuovo settaggio del payload. Questa modifica èinterna al plugin e non va a modificare parametri del protocollo MQTT masolo il contenuto del messaggio.

LISTING 3.4: Esempio messaggio MQTT

1 <MqttMessage2 id=" 24 "3 timestamp=" 1483377385941 "4 t o p i c =" freedomotic/ l iv ingroom_l ig th "5 qos=" 0 "6 r e t a i n e d=" f a l s e ">7 powered:1 ; b r i g h t n e s s : 5 08 </MqttMessage>

Come si può notare dalla figura il pacchetto è composto da un id, un time-stamp, il topic (par. 3.2.3) e il valore di QoS (par. 3.2.2). Analizzando il con-tenuto del messaggio si può vedere che la scrittura 3.1 va ripetuta per ogniparametro dell’oggetto che si vuole settare. In questo modo viene elimina-ta la limitazione di un unico valore di configurazione per oggetto. Graziealla possibilità di comunicare sul canale degli eventi di Freedomotic, ognicambio di stato viene individuato e inviato tramite evento all’oggetto cheacquisirà il proprio valore.Per rendere il client più funzionale è stata introdotta lo sottoscrizione runti-me di ogni oggetto presente nel designer al topic freedomotic/NOME_ STAN-ZA/NOME_ OGGETTO cosicché si possa avere un controllo remoto comple-to di ogni oggetto presente.


Mosquitto broker

L’oggetto che si occupa di gestire tutti i topic, come descritto nel paragrafo3.2.1 è il broker. Per l’utilizzo pratico inizialmente si è fatto affidamento adun broker locale, successivamente invece si è deciso di optare per un brokeresterno. Il vantaggio dell’esternalizzazione è quello di non dover preoccu-parsi della successiva manutenzione in fase di utilizzo.L’indirizzo di rete del broker gratuito fornito da Mosquitto[17] e’:test.mosquitto.org:1883. Questo viene utilizzato sia dal broker che dai variclient che vogliono inviare o ricevere messaggi riguardanti gli oggetti chesono connessi. Utilizzando questo fornitore, non è possibile autenticareo cifrare i messaggi perché essendo gratuito i servizi offerti sono limitati.Esistono altre possibilità per poter utilizzare broker più avanzati che of-frono meccanismi di sicurezza avanzati[21]. Una volta settati il broker, ilclient Freedomotic e gli oggetti con cui si vuole interagire si può passarealla comunicazione con loro.

MQTT spy e MQTTool

Per interagire con gli oggetti è stato necessario utilizzare software esterni. Isoftware utilizzati sono: MQTT spy e MQTTool.MQTT spy è un programma free utilizzato su piattaforma Windows R©scrittoin Java che consente di:

• sottoscrivere più topic

• ricevere messaggi da più topic

• controllare le statistiche dei messaggi

• connettersi a più broker

Queste funzioni lo rendono un software flessibile e completo per poter mo-nitorare da desktop tutti gli oggetti che inviano e ricevono messaggi. Inoltre


FIGURA 3.9: Schermata iniziale MQTT spy

esiste la possibilità di poter inviare a sua volta dati per cambiare il compor-tamento di questi. La GUI risulta essere molto semplice e intuitiva come sipuò notare dall’immagine 3.9 ed una volta settata la connessione con i pa-rametri scritti precedentemente è possibile inviare e ricevere dati. Per potercomunicare in mobilità con gli oggetti domotici presenti in Freedomotic èstato scelto di utilizzare MQTTool un’app gratuita presente su App Store R©.Quest’applicazione presenta le medesime funzionalità di MQTT spy; unavolta configurati i parametri di connessione è pronta all’uso per dialogarein remoto con i dispositivi presenti nei vari scenari. E’ possibile inoltre set-tare il livello di QoS per i messaggi da inviare secondo le specifiche trattatenel paragrafo 3.2.2.

Modalità d’uso

L’utilizzo di una delle due applicazioni permette di controllare e simularevari comportamenti degli oggetti. Modificando i parametri si possono farscattare le reactions descritte nel Cap.2. Oltre che poter inviare dati, è pos-sibile ricevere informazioni da ogni oggetto o sensore presente.


Modificando il client MQTT di Freedomotic è stato possibile inviare messag-gi per poter simulare tutti i comportamenti di tutti gli oggetti, ottendo cosìuna visione e un controllo completo della situazione dell’ambiente. Tuttoquesto è risultato possibile grazie all’utilizzo del protocollo MQTT. Vedia-mo ora esempio di simulazione di reaction: blocco uscita acqua dalla vascada bagno. Viene simulata da remoto il superamento della soglia prefissatadel livello dell’acqua e grazie a questo viene attivata la reactions che bloccala fuoriuscita, come si può vedere in fig. 3.10. Questa viene segnalata suFreedomotic come avviso e viene anche ricevuta sul topic dell’oggetto inte-ressato.

FIGURA 3.10: Reaction in azione

Senza l’utilizzo di questo protocollo la simulazione degli scenari sarebbe ri-masta limitata solo all’utilizzo di Freedomotic ovvero fine a se stessa. Graziea MQTT è stato possibile interfacciare il software al controllo remoto simu-lando avvenimenti casuali permettendo così di verificare la configurazionedel sistema di azioni installato all’interno del simulatore.

Utilizzando il framework di lavoro e il protocollo di comunicazione è stato


possibile realizzare le idee proposte verificandone così la fattibilità e la fun-zionalità. Simulando situazioni critiche si è potuto inoltre valutare il com-portamento del sistema progettato. Tutto questo è stato possibile grazie allaflessibilità che Freedomotic permette attraverso la scrittura di plugin esternial core centrale, non intaccando così il codice originale ma arricchendolo diulteriori funzionalità.

39

Capitolo 4

Conclusioni

Oggigiorno ci troviamo in un mondo in cui la tecnologia è parte integrantedella nostra vita. Siamo circondati da smartphone, tablet e computer, masiamo anche pervasi da dispositivi invisibili che controllano gli oggetti piùcomuni: dal nostro televisore alla nostra macchina. Questa nuova ondata diapparecchi connessi sta cambiando il nostro modo di vivere. Una disciplinache sta traendo vantaggio da questo cambiamento è la domotica. Essa sipropone come obiettivo principale quello di migliorare la qualità della vitadelle persone.La maggior parte del tempo viene trascorso tra la casa e l’ambiente di lavoroed è qui che l’inserimento della componente domotica può portare grandibenefici. Con questo lavoro si è voluto progettare e analizzare un sistemaintelligente da inserire in questi scenari. Si è cercato di capire come integra-re le nuove tecnologie in questi ambienti progettando tutto il sistema nellasua interezza. Gli aspetti messi in risalto con questo lavoro sono il comfortgenerale e l’inserimento della possibilità di assistere le persone con proble-mi di salute. Queste due caratteristiche sono state evidenziate sia per la casache per l’ufficio.Il primo passo compiuto per la progettazione è stato quello di stendereun’architettura. Durante questa fase si è dovuto tenere conto della diversitàche le situazioni richiedono: una casa, in cui le persone preferiscono nondover provvedere ad operazioni tecniche riguardanti il sistema ed un uffi-cio, in cui la fase di manutenzione può essere svolta internamente. Questa

40 Capitolo 4. Conclusioni

divisione ha portato alla scelta di utilizzare un cloud esterno per l’ambientedomotico mentre per l’ambiente lavorativo la scelta è ricaduta su un serverinterno.Progettata l’architettura si è passati alla fase di composizione del sistema,sono state scelte le azioni da inserire (vedi Cap.2) per ottenere un funziona-mento adeguato ai due ambienti. Si è voluto dare peso alle azioni automati-che e non, che possono esserci, integrate con i valori rilevati dai dispositivipresenti. L’integrazione e l’interoperabilità dei device risulta essere fonda-mentale per un corretto funzionamento. Una parte delle azioni progettateè dedicata all’interazione tra device medici che misurano parametri vitalie reagiscono o avvisando la persona o direttamente chiamando il prontosoccorso in casi gravi. Questa analisi riferita all’assistenza medica potreb-be portare dei vantaggi in caso si dovesse realizzare realmente un sistemaintelligente che integri queste caratteristiche, in quanto la tempistica in de-terminati casi, può fare la differenza.Una volta terminata la fase di progettazione si è passati alla realizzazio-ne pratica attraverso l’utilizzo di Freedomotic che è un framework open-source che permette di simulare ambienti integrando la componente domo-tica. Grazie ad esso si è potuta verificare la fattibilità della progettazionee sperimentare le nuove idee proposte. Per simulare al meglio l’interope-rabilità degli oggetti creati nel simulatore, si è fatto uso di un protocollodi comunicazione adatto: MQTT. Questo è un protocollo molto usato nel-l’ambito IoT perché risulta essere molto leggero. Grazie alla combinazionedi Freedomotic e MQTT si è potuto realizzare una simulazione con eventicasuali atti a testare il sistema. Queste prove hanno consentito di trovare idifetti e correggerli per ottenere un funzionamento migliore.Questo lavoro potrà successivamente essere testato su un ambiente reale at-traverso l’uso di device fisici per ottenere dati reali. Ottenendo una moledi dati superiore, si possono testare tecniche di machine learning per cer-care di capire al meglio le abitudini delle persone presenti negli ambienti,

Capitolo 4. Conclusioni 41

realizzando così una banca dati da cui poter attingere informazioni. Aven-do a disposizione sempre più dati sarà possibile quindi ottenere un migliorfunzionamento del sistema sia dal punto di vista del risparmio energeticosia dal punto di vista di aumento del comfort cercando così di aiutare lepersone e migliorare la loro qualità di vita.

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org/.

[18] MQTT spy. . URL https://kamilfb.github.io/mqtt-spy/.

[19] MQTTool for iPhone R©. . URL https://itunes.apple.com/us/

app/mqttool/id1085976398?mt=8.

[20] API Java per programmazione MQTT. URL https://eclipse.

org/paho/clients/java/.

[21] Advanced broker for MQTT. URL http://www.hivemq.com/

features/.

http://test.mosquitto.org/

http://test.mosquitto.org/

https://kamilfb.github.io/mqtt-spy/

https://itunes.apple.com/us/app/mqttool/id1085976398?mt=8

https://itunes.apple.com/us/app/mqttool/id1085976398?mt=8

https://eclipse.org/paho/clients/java/

https://eclipse.org/paho/clients/java/

http://www.hivemq.com/features/

http://www.hivemq.com/features/

Sistemi domotici integrati per la gestione intelligente d’ambiente

Software

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