L’edge computing e le reti mesh nei sistemi Smart Building

Questo articolo descrive un sistema Smart building (edificio intelligente) in cui sono integrate la tecnologia dell’edge computing e le reti Mesh BLE. L’obiettivo di questa integrazione di tecnologie è di sviluppare una soluzione per la casa/edificio intelligente proponendo un sistema IoT cloud-edge computing ed estendendo sostanzialmente l’area di connessione mediante rete mesh BLE per coprire un intero edificio di un’azienda, fabbrica o residenza.

Introduzione allo Smart Building

Negli ultimi anni, alcune limitazioni del cloud computing hanno introdotto il nuovo cosiddetto paradigma “edge computing”. Si sono così resi disponibili dispositivi IoT (Internet of Things) in quantità enorme, in modo ingovernabile a causa del loro prospero e variegato utilizzo. A causa dell’enorme lavoro di caricare giganteschi volumi di dati sul server cloud ed elaborarli e recuperarli dai sistemi quando richiesto, entra in scena l’edge computing. Nell’edge computing, non è necessario inviare l’intero pacchetto di dati sul server cloud, in quanto i dati possono essere elaborati nel punto in cui vengono prodotti (all’edge, appunto), e ciò è la migliore soluzione in termini di efficienza e prestazioni. La visione degli ingegneri dello Smart building è quindi quella di creare un sistema di edificio intelligente in grado di rilevare l’ambiente circostante e, più importante, indirizzare i diversi tipi di dati dal sensore al luogo ottimale per l’analisi e per prendere decisioni autonome in prossimità del limite della rete. Con un tale sistema, la connettività diventa un problema primario. Per quanto riguarda la comunicazione, la soluzione della rete mesh IoT, sebbene la tecnologia mesh IoT non sia ancora standardizzata, può essere adottata per creare una rete IoT con cui possono essere garantite connettività, riservatezza ed efficienza energetica. Si prevede comunque che le reti Mesh IoT potrebbero non essere l’unico modo di comunicazione futura, ma piuttosto la fusione di reti Mesh IoT con protocolli tandard avanzati come Wi-Fi e Zigbe per fornire una migliore qualità di comunicazione. Un’altra sfida consiste nel gestire le grandi quantità di dati dei sensori. Da qui la necessità di realizzare algoritmi di analisi dei dati al fine di filtrarli in base a diverse priorità operative. In generale, i dati vengono inviati ai server cloud o elaborati in rete, in base alla sensibilità temporale (urgenza o meno) di trattamento dei dati. La Figura 1 riporta lo schema di un‘architettura di un sistema edge computing.

Figura 1 – Architettura di un sistema edge computing

L’Edificio intelligente

L’edificio intelligente o Smart building, è un tipo di edificio che, con un investimento ponderato, una gestione efficiente dell’energia e un ambiente confortevole e conveniente, viene progettato considerando la relazione ottimizzata tra struttura, sistema, servizio e gestione. Come indicato dal termine “intelligente”, l’edificio viene dotato di sistemi di controllo intelligenti e dispositivi intelligenti e interconnessi, oltre alla struttura e alla funzione dell’edificio tradizionale. Nella ricerca iniziale si pensava che la residenza modernizzata dotata di sensori incorporati con vari sistemi integrati fosse la base degli edifici intelligenti.

L’IoT (Internet of Things) è una delle principali tecnologie degli edifici intelligenti. È supportato da hardware abilitato per il Web, dispositivi di automazione e reti di sensori. Le tecnologie IoT possono essere utilizzate per connettere le applicazioni e i dispositivi intelligenti negli edifici con tecnologie cablate o wireless. L’IoT fornisce anche un modo pratico per la futura costruzione prefabbricata di edifici intelligenti, accompagnata dalla specializzazione delle informazioni sugli edifici. Poiché l’illuminazione, il riscaldamento, la ventilazione e l’aria condizionata stanno diventando il principale consumo energetico degli edifici, le misure di controllo dei sistemi di illuminazione e della climatizzazione hanno migliorato le prestazioni energetiche degli edifici. La Figura 2 mostra un esempio di architettura di uno Smart building.

Figura 2 – Esempio di architettura di uno Smart building

Le reti Mesh BLE nei sistemi Smart building

A differenza delle tradizionali connessioni Bluetooth point-to-point (P2P), le reti mesh Bluetooth Low Energy (BLE) impiegate negli edifici intelligenti implementano una topologia di connessione many-to-many e utilizzano il flooding gestito per inviare i dati (il flooding viene utilizzato nell’algoritmo di routing delle reti di computer per inviare ogni pacchetto in entrata attraverso ogni collegamento in uscita).

Di conseguenza, le reti mesh BLE non richiedono alcun routing centralizzato o tabelle di routing come le reti Ethernet. Le specifiche Mesh BLE consentono anche una sicurezza integrata con crittografia a più livelli, in modo che i nodi della rete possano inoltrare il traffico senza dover essere a conoscenza del contenuto di alcun messaggio. I nodi possono semplicemente passare i messaggi mentre i potenziali intercettatori sulla rete vedono solo i pacchetti crittografati, un vantaggio significativo per la sicurezza della rete preservando la semplicità del progetto. Una rete Mesh BLE posizionata correttamente può coprire distanze maggiori rispetto alle tradizionali comunicazioni Bluetooth P2P poiché i nodi possono eseguire il passaggio di messaggi inoltrando i pacchetti a un nodo di destinazione che è fuori portata dal nodo di trasmissione. Ciò consente una varietà di applicazioni IoT, tra cui l’illuminazione connessa e il monitoraggio dei sensori remoti, precedentemente fuori portata per la tecnologia Bluetooth tradizionale.

Una delle caratteristiche più interessanti di una rete mesh Bluetooth Low Energy è la possibilità per alcuni nodi della rete di operare a livelli di potenza significativamente ridotti, denominati Low Power Nodes (LPN), e migliorare la durata della batteria oltre i dispositivi BLE standard . I Low Power Node ottimizzano il consumo energetico svegliandosi dal Deep Sleep solo in modo intermittente per inviare e ricevere dati. Affinché questo funzioni all’interno di una rete mesh BLE, è necessario che un nodo a basso consumo si trovi vicino a un nodo “Amico”, poiché altrimenti non potrebbe funzionare. Il nodo Amico memorizza i messaggi destinati al nodo Low Power fino a quando quel nodo non si sveglia per comunicare con il resto della rete, a quel punto, l’LPN chiede al nodo Amico eventuali comunicazioni in sospeso e risponde all’attività di rete secondo necessità prima di tornare in Deep Sleep. In Figura 3 viene mostrata schematicamente una rete mesh BLE.

Figura 3 – Rete mesh BLE (ResearchGate)

 

Architettura di un sistema Smart building

L’architettura di un sistema Smart building avanzato, può essere suddivisa in tre blocchi. Nella rete Mesh IoT è previsto un host/server connesso in modalità cablata o wireless a dispositivi IoT in cui viene integrata la tecnologia Mesh.

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L’host/server è anche connesso al servizio cloud esterno che manterrebbe i dati come letture dei sensori e di feedback per controllare la rete IoT. Nel mezzo si trova il metodo di calcolo edge computing node.

L’algoritmo di analisi e feedback prevede che i dati dei sensori, ossia le informazioni di luce, umidità e temperatura, siano recuperati prima che venga eseguito qualsiasi tipo di analisi o processo. L’host IoT Mesh riceverà i dati e una volta avviato l’assemblaggio dei dati, ne verrà eseguita l’analisi. In questa fase, si osserveranno diverse misurazioni come la frequente attivazione dei dati, informazioni sui dati costanti, valori spazzatura, ecc.

Sulla base delle informazioni sarà effettuata l’elaborazione del database. L’implementazione dell’edge computing è fondamentale in questa struttura di sistema. Tipicamente, l’elaborazione dei dati è la parte principale in cui vengono prese tutte le decisioni che contemplano l’applicazione dell’edge computing. La maggior parte dei dati sensibili al fattore tempo sono prioritari e verranno eseguiti prima con tutti i mezzi disponibili. L’ultima categoria di dati servita, ovvero quella in cui i dati non richiedono un’elaborazione immediata, sarà inviata e memorizzata al server di dati.

Nella fase di esecuzione autonoma delle decisioni del sistema, verranno eseguiti i dati. Ad esempio, quando il sensore di temperatura rileva calore o l’aumento della temperatura nell’ambiente circostante, il sistema di raffreddamento viene attivato. O ancora, se la luce viene rilevata tramite il sensore di luce, l’impanto d’illuminazione a LED potrà essere spento, oppure se il sensore rileva un livello d’illuminazione insufficiente, i LED si accenderanno. Tutte le funzioni saranno completamente indipendenti dall’intervento umano.

Nell’architettura di sistema può essere presente un Controllore di feedback. Il controller di feedback contiene i dati ottenuti dopo l’esecuzione dei processi precedenti che saranno trasferiti alla fase di elaborazione e analisi per completare il processo simultaneo e iterativo.

 

Esempi di applicazioni di un sistema Smart building

In questo semplice esempio si prevede di installare un sistema di Smart building in un edificio residenziale. Un personal computer viene utilizzato come server edge per connettersi con l’host IoT che ha il compito di monitorare la rete mesh IoT. L’algoritmo principale realizzato per il filtraggio dei dati, l’analisi e il controllo del feedback, verrà eseguito nel server edge consentendo funzioni operative come ad esempio spegnere e accendere le luci in base ai dati del sensore di luce. In funzione delle letture della temperatura, il sistema di raffreddamento dell’edificio può essere gestito per attivare dei ventilatori o un sistema di aria condizionata.

Poiché un sistema Smart building prevede l’impiego di dispositivi IoT quali sensori di umidità, temperatura e luce, questo sistemapuò essere applicato anche in Agricoltura intelligente.

Con un sistema Smart building, unitamente ad algoritmi specializzati che possono far funzionare completamente il sistema in modo autonomo e prendere decisioni più efficienti, l’agricoltura può trarre grandi vantaggi in termini di miglior gestione della produzione, della gestione energetica e della conseguente riduzione dei costi. Ad esempio, se l’illuminazione misurata all’esterno di una fattoria è molto bassa, il sistema può decidere automaticamente di fornire maggiore illuminazione esterna alla fattoria. Se l’umidità nei campi è bassa, il sistema può aumentare l’apporto di acqua mediante l’attivazione dell’impianto d’irrigazione. Tutto il calcolo e l’esecuzione delle funzioni vengono eseguiti dal sistema e non vi è alcun intervento umano. Il sistema può essere ulteriormente potenziato sviluppando e implementando pagine web per il controllo e comando da remoto di tutte le funzioni previste dal progetto dello Smart building.

 

Conclusioni

La rete mesh Bluetooth ha aperto l’opportunità di sviluppare molti nuovi dispositivi IoT. La specifica mesh consente fino a oltre 32.000 nodi, il che la rende adatta per l’implementazione in un’ampia gamma di sistemi di edifici intelligenti e applicazioni IoT che richiedono la connessione di un numero elevato di singoli dispositivi. Utilizzando le reti mesh negli edifici intelligenti, gli ingegneri possono accelerare lo sviluppo di nuovi algoritmi dedicati, in modo che i nodi possano essere implementati più rapidamente, aumentando le prestazioni in termini di portata, resilienza e budget energetico.

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