Progettazione e realizzazione di Ambient Electronic Devices per condivisione di informazioni multimediali basati su un sistema di sensori capacitivi

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1 Università degli studi di Siena Facoltà di Ingegneria Corso di Ingegneria delle Telecomunicazioni - Sistemi Multimediali e Telematica Progettazione e realizzazione di Ambient Electronic Devices per condivisione di informazioni multimediali basati su un sistema di sensori capacitivi Relatore: Prof. Alessandro Andreadis Tesi di Laurea di: Gabriele Necco Correlatore: Ing. Pasquale Fedele Anno Accademico

2 Indice 1. Introduzione Azienda Liquidweb 3 2. Ambient Electronic Devices Smart Cities Olimpiadi di Londra Esempi di Smart Cities Progetto WiMove Cloud Computing Controllo di Ambienti e Domotica Progetti Caratteristiche dei Progetti Tecnologie Impiegate Fisica dei Capacitori Capacità Elettrica Materiali Dielettrici Condensatore a Facce Piane Capacità Parassita Elettrofisiologia ed Effetto Capacitivo Caratteristiche dei Sensori Utilizzati Arduino Sensori Capacitivi Composizione e Funzionamento Librerie e Metodi Scelta del Resistore Messa a Terra

3 Messaggi di Errore Sistema Illuminante Fonti Luminose LED Trattazione Generale Caratteristiche dei LED Utilizzati Controller RGB e Circuiti di Potenza Riflessione / Rifrazione SmartControl WiTube Versioni Precedenti Ambiti di Utilizzo Modifiche Introdotte Stati e Funzionamento del Sistema Problematiche Incontrate WiMirror Ambiti di Utilizzo Apparato e Sensori Stati e Funzionamento del Sistema Problematiche Incontrate Conclusioni e Ringraziamenti 92 Materiale Consultato per l'elaborazione della Tesi

4 1. Introduzione Il seguente lavoro di tesi tratta la progettazione e lo sviluppo di due Ambient Electronic Devices, un'innovativa classe di dispositivi elettronici, capaci di farci cogliere il loro funzionamento istantaneamente: WiTube, una lampada interattiva multimediale; WiMirror, uno specchio multimediale dotato di pellicola riflettente unilaterale. Tali sistemi sono stati sviluppati per poter rispondere all esigenza sempre crescente di dispositivi intelligenti che possano interagire con l utente in modo intuitivo, in questo caso attraverso un sistema di sensori capacitivi controllati da un unità Arduino. I sistemi sono capaci di fornire dei feedback visivi e sonori e di attivare varie applicazioni multimediali (riproduzione di podcast, webradio, meteo, informazioni, eventi, ecc). L'ambiente di utilizzo può essere uno spazio pubblico, domestico o lavorativo, qualsiasi luogo dove è possibile una facile interazione con gli utenti. L attività di progettazione e sviluppo è stata condotta nell ambito di un tirocinio presso l azienda Liquidweb, di cui segue una breve presentazione Liquidweb Liquidweb nasce con la vocazione di portare e rendere altamente fruibili nel mondo reale, in modo pervasivo, liquido, le tecnologie ICT. Il focus dell azienda, da un punto di vista tecnologico è sui mobile services, le tecnologie pervasive (smart environments, Internet of Things, Brain-Computer Interfaces) ed il cloud computing. Gli ambiti operativi sono tre: Mobile Business: sviluppo di applicazioni per smartphone e tablet (iphone, ipad, dispositivi Android, Blackberry, Windows Mobile, ecc.) per soluzioni di business mobility che integrano funzionalità di georeferenziazione, sincronizzazione con - 3 -

5 sistemi legacy e mobile payments, per applicazioni di CRM, field service, gestione flotte, work force management e sales force automation. Healthcare: soluzioni di mobile health (rivolte a pazienti ed operatori sanitari), sistemi di Brain-Computer Interface (BCI) applicate a tecnologie assistive (interfacce celebrali per il controllo di dispositivi elettronici e la comunicazione). Smart Environments: realizzazione di ambienti intelligenti ed interattivi dotati di sensori, tecnologie wireless e sistemi embedded. Ciò mediante l integrazione, in ambienti ed oggetti di uso comune, di tecnologie in grado di monitorare ambienti ed erogare contenuti informativi e di intrattenimento acquisiti tramite la rete Internet. I progetti di ricerca e sviluppo che Liquidweb porta in dote dalla sua nascita sono: BrainControl è un sistema di controllo basato sulla rilevazione degli impulsi elettrici del cervello attraverso una cuffia BCI provvista di sensori di elettroencefalografia (EEG) ad alta risoluzione. Il sistema trasferisce alcuni pensieri (12 tipi di pensieri coscienti del movimento: sinistra, destra, su, giù, spingere e tirare, rotazioni, ecc.) che possono essere usati come una sorta di joystick mentale da applicare a molte applicazioni. Il sistema è nato per le persone affette da sclerosi laterale amiotrofica (SLA), questo permetterebbe loro di controllare oggetti con la mente, ad esempio un comunicatore, domotica, dispositivi (luci, porte, finestre, allarmi, temperatura, posizione letto), sedie a rotelle. GeoAlert è una piattaforma per la ricezione e la segnalazione di alert geolocalizzati. Si pensi ai tanti avvisi legati ad emergenze alimentari (partite di cibo avariato, acqua non potabile, ecc.), ambientali (alluvioni, terremoti, incidenti, ecc.), o ad informazioni utili quali interruzione di servizi di pubblica utilità (acqua, luce, gas, trasporti, ecc.) e molto altro. L utente definisce la tipologia di alert che vuole ricevere, il canale (sms, , telefono, social network, ecc.), l area geografica e gli alert arriveranno puntuali e filtrati secondo le sue preferenze

6 WiTube è una lampada interattiva, multimediale che integra una connessione WiFi per l'accesso ad Internet e la fruizione di contenuti Web (podcast, webradio, informazioni, eventi, ecc.). Il controllo è di tipo touchless e remoto, il primo mediante interazione basata su gesti dell utente, il secondo mediante smartphone (iphone ed Android). Il fondatore ed attuale CEO è Pasquale Fedele, laurea in Ingegneria Informatica presso l'università degli studi di Siena e Master universitario di II livello "E2C" presso il Centro Interdipartimentale per lo Studio dei Sistemi Complessi nella stessa università. La strategia è quella di puntare sull attività di consulenza per far crescere l azienda e mettere a punto nel frattempo dei prototipi avanzati dei tre progetti da proporre a potenziali partner finanziari ed industriali. L attività di consulenza in tali ambiti ha consento all azienda di svilupparsi, farsi conoscere e creare un team di lavoro affiatato e consapevole delle proprie capacità. Le tappe principali del 2011, primo anno di attività, sono state: la partecipazione, a seguito di una selezione, al Boot Camp di Intesa Sanpaolo Start-Up Initiative, nel mese di giugno; nello stesso mese, l invito a partecipazione a Frontiers of Interaction, per presentare il prototipo di BrainControl. Partecipazione che ha suscitato molta curiosità e visibilità; la partecipazione a Smau Milano, nel mese di settembre, con lo Speed Dating e la vincita del primo premio Percorsi dell Innovazione ; il conseguimento dell attestato Italia degli Innovatori, dell' Agenzia per la diffusione delle tecnologie per l innovazione, con la partecipazione, a novembre, alla missione in Cina. Infine nel corso del 2012 l'azienda è stata finalista a Mind the Bridge in Silicon Valley e tra le 10 finaliste come Startup dell Anno 2012 nell ambito della selezione organizzata dal PNI Cube

7 2. Ambient Electronic Devices Gli Ambient Electronic Devices (AED) sono un nuovo genere di elettronica di consumo, caratterizzata dalla loro capacità di poter essere percepiti a "colpo d occhio"[1]. Utilizzano l'elaborazione pre-attentive per visualizzare le informazioni: la possibilità per il cervello di percepire le informazioni senza alcun apparente carico cognitivo. Il New York Times Magazine ha annunciato gli AED come una delle idee dell'anno 2002 sulla scia di una start-up aziendale, la Ambient Devices. Il loro primo prodotto è l'orb Ambient, una lampada a sfera di vetro smerigliato che assume colori diversi in base all'andamento dei titoli azionari, fornendo all'utente un'informazione immediata e intuitiva. Un nuovo interessante prodotto è l'energy Orb, dispone di uno schermo LCD inglobato in una sfera di vetro smerigliato che varia colore in base alla domanda di energia. Durante i periodi di forte richiesta (quando l'elettricità è più costosa) assume una tonalità rossa e, in modo divertente, incoraggia i clienti a risparmiare energia. L'Energy Orb riceve i segnali dalla Ambient Information Network, una rete di distribuzione dei servizi in modalità wireless. Tale dispositivo viene utilizzato in molte situazioni per visualizzare il carico sulla rete, gestire la propria domanda ed evitare abbassamenti di tensione

8 Una versione Zigbee dell'energy Orb è disponibile anche per gli utenti che vogliono usufruire dei dati delle proprie misurazioni. Simile all'energy Orb, l'energy Joule visualizza il prezzo corrente di energia e il livello di consumo in casa. Se assume colore rosso, indica un prezzo elevato dell'energia e incoraggia l'utente a spostare il suo consumo in un'altra fascia oraria. Il giallo indica un prezzo leggermente al di sopra della media e incoraggia ancora la riduzione della richiesta, il verde invece indica che il prezzo è al di sotto della media e incentiva l'utilizzo in queste fasce orarie. Oltre alla retroilluminazione colorata, l'energy Joule ha uno schermo con due barre: una mostra il prezzo in tempo reale per kw, l'altra indica la quantità di energia in tempo reale utilizzata nell'abitazione. Lo schermo è anche in grado di visualizzare le previsioni meteo giornaliere. Tutto questo fornisce una qualità "green" al dispositivo, che lo rende prezioso per il consumatore, il quale può regolare i propri consumi in tempo reale avendo un riscontro immediato sui prezzi e sui propri consumi. Evitando i momenti di maggior richiesta di elettricità si otterrà un cospicuo risparmio di denaro

9 Un altro semplice ma interessante prodotto sviluppato dalla stessa ditta è l'ambient Umbrella, un ombrello che, attraverso dei sensori al suo interno ed un LED contenuto nel manico, informa l'utente di un cambiamento climatico attraverso la colorazione del manico stesso. Possiamo notare come l'interazione con questo apparecchio sia immediata e intuitiva. Da allora anche altre aziende si sono cimentate nella produzione degli AED, fra questi c'è il Wifi-Enabled Chumby. Si tratta di un computer embedded che fornisce accesso a Internet e LAN tramite una connessione Wi-Fi. Attraverso questa connessione, il Chumby esegue vari widgets. Simile a una piccola radio sveglia, è composto da un touchscreen con rivestimento in pelle e plastica. L'alimentazione avviene tramite rete elettrica e se scollegato è provvisto di una batteria da 9 volt come alimentazione di backup. Il Chumby è stato progettato per essere personalizzabile da parte degli utenti ed è stato nominato dalla rivista Wired Chumby uno dei suoi migliori gadget per il Il suo software è in gran parte open source, in esecuzione su Linux

10 Il principale vantaggio degli AED è la facilità d'uso. Tutti possono accedere a una grande varietà di servizi, sia persone che hanno poca familiarità con display o dashboard, come gli anziani, sia persone che non possono permettersi un PC e connessioni a banda larga. Questi dispositivi utilizzano feedback diversi per poter catturare l'attenzione dei consumatori, attraverso suoni, luci, colori, invogliandoli ad interagire con loro in modo nuovo e piacevole. La categoria degli AED, sfruttando le reti di scambio dati presenti, costituirebbe uno dei layers intermedi all'interno di realtà come la Domotica e le Smart Cities. Tali tecnologie sarebbero alla portata di tutti, facendo adeguare le nostre abitudini alle esigenze dei vari sistemi senza alcuno sforzo cognitivo. Queste ed altre macrotecnologie verranno descritte in seguito evidenziando esempi e progetti sviluppati in tutto il mondo Smart Cities Si sente spesso l espressione Smart City, ma che cos è davvero una città intelligente? We shape our buildings; thereafter they shape us Winston Churchill La citazione fatta da Winston Churchill introduce la realtà delle Smart City in un modo diverso, con una certa ambizione: Siamo noi che diamo la forma ai nostri edifici, ma sono gli edifici che poi modellano la nostra vita" [2]. Questo concetto è estremamente importante, in quanto viene perennemente verificato nelle nostre città. Il modo di pensare e di costruire una città si deve basare sul coordinamento degli individui, in modo da collegare le diverse forme di intelligenza presenti. Gli strumenti permettono al cittadino di connettersi all interno della comunità e di coordinarsi in modo intelligente; si tratta dunque di tecnologie la cui funzionalità è quella di aumentare la capacità di pensiero individuale e collettiva

11 Tutti i sistemi di informazione esistenti fanno già parte degli elementi di intelligenza collettiva, i quali possono essere costituiti da media, mercati finanziari, e anche la città stessa ne fa parte. In qualche modo la città risulta la piattaforma di sviluppo di applicazioni, e i cittadini sono i loro creatori. Se la città risultante è una rete che, oltre a connettere i diversi individui, permette alle applicazioni integrate di sfruttarla per l'abbattimento dei costi e dei consumi e di migliorare la vita degli abitanti, allora si può definire intelligente e quindi Smart [3]. Per poter creare una realtà così definita occorrono una serie di accorgimenti: ogni elemento della rete deve essere interconnesso in modo efficiente; ogni elemento generatore di dati deve poterli offrire all intera comunità in maniera pubblica; il sistema non deve prevedere alcun controllo sulla libertà degli individui; ogni individuo deve avere la possibilità di contribuire al miglioramento del sistema con il proprio servizio; attraverso dei sensori si possono generare dati utili che vengono condivisi con l intera comunità. Deve essere costruito uno strato di interconnessione tra i sistemi già presenti (denaro, trasporti, comunicazioni) e quelli da integrare (sensori, sicurezza, privacy). Una specie di sistema nervoso che permetta lo scambio e l'integrazione di dati e servizi. Grazie a questa visione è facile capire che la Smart City non si occupa quindi delle applicazioni e dei dispositivi, ma propone un modo per permettere ai cittadini di svilupparli. Un esempio sono gli Ambient Electronic Devices, o in un'ottica superiore la Smart Grid, una rete elettrica digitale che permette di raccogliere, distribuire e agire sulle informazioni delle abitudini energetiche dei cittadini. La rete elettrica diventa così una collaborazione tra i consumatori e i produttori di energia, consentendo di condividere, ad esempio, il surplus di energia prodotta tramite fonti rinnovabili che altrimenti andrebbe sprecata. L'obiettivo è quello di migliorare l'efficienza dell'approvvigionamento

12 energetico, oltre a rendere la casa, il posto di lavoro, i luoghi pubblici, attenti alle opportunità che questa offre. In una città intelligente si avrebbe quindi una migliore qualità della vita, gli spostamenti urbani sarebbero più agevoli, ci sarebbe un maggior risparmio energetico e delle risorse in generale. I punti fondamentali di tale città sono: smart mobility; smart economy; smart environment; smart people; smart living; smart governance. Tutto questo è possibile solo attraverso un sistema di comunicazione capillare, pubblico e che permetta un facile accesso: la rete Internet rappresenta la soluzione. In passato, quando Internet aveva cominciato a far parte della nostra vita, molti parlavano di death of distance, ovvero l annullamento delle distanze del mondo reale. In realtà, da allora il numero delle persone che vivono in aree urbane è aumentato costantemente, fino ad arrivare nel 2008 al 50% della popolazione mondiale. Tuttavia, la rete ha contribuito a trasformare profondamente le città, rendendo sempre più evidente la dipendenza reciproca. In questi spazi è possibile raccogliere una gran quantità di dati e renderli disponibili alla popolazione proprio attraverso la rete, in maniera pubblica e gratuita. E quindi necessario un sistema che consenta a chiunque sia abilitato di poter interagire con i dati, ed è doveroso un processo di elaborazione e standardizzazione guidato da un ente pubblico. I dati possono poi essere utilizzati da parte degli abitanti o dell amministrazione pubblica per la creazione di applicazioni. Il principale errore compiuto, è credere che la sola introduzione di determinati servizi evoluti per l infomobilità, per il controllo energetico o per la sicurezza urbana implichino che la città sia Smart

13 In realtà non è così, ovviamente questi servizi sono molto utili, ma se sono concepiti in maniera indipendente, rischiano di essere inefficienti o addirittura inutilizzabili. Se per esempio, nel fornire un servizio di infomobilità, si includono solo servizi di pianificazione e ottimizzazione del flusso di traffico, senza però progettare un sistema di raccolta (in tempo reale) e elaborazione dei tanti dati necessari (la maggior parte in forma anonima per la privacy dei cittadini), il servizio risulterebbe inutilizzabile. Questa situazione mostra chiaramente la strada da seguire per la realizzazione di una smart city. E necessaria l integrazione e la condivisione dei dati e dei servizi per permettere la nascita di funzioni evolute. Rimanendo sull esempio dell'infomobilità è possibile che i dati vengano forniti da ditte di antifurti satellitari, da operatori telefonici, i quali riescono a tracciare la posizione dei dispositivi mobili in base alla triangolazione delle celle, da sistemi GPS installati su mezzi pubblici, o dai cittadini stessi. E quindi essenziale che i servizi a valore aggiunto per i cittadini siano: disponibili alla maggior parte delle persone (attraverso connessioni wireless o postazioni fisse), definiti da un modello di cooperazione e di scambio dati, definiti da applicazioni e/o dispositivi. In questo modo si è certi che il sistema porti reali benefici agli utilizzatori; dal punto di vista tecnico si tratta di promuovere applicazioni e dati open source. Esistono diverse soluzioni ottenibili, in alcuni casi sfruttando i medesimi dati, per esempio fornire informazioni sui ritardi dei mezzi pubblici e allo stesso tempo segnalando eventuali ingorghi nel traffico. Il problema maggiore risulta quindi la diffusione dei dati e delle applicazioni; un sistema capace di gestire una mole così ingente di informazioni presenterebbe enormi problemi, sia dal punto gestionale, energetico e realizzativo. L evoluzione di internet ha creato la necessità di utilizzare server sempre attivi e custoditi in locazioni sicure e un utilizzo massiccio del computing remoto. Le prime applicazioni a richiedere una tale tecnologia sono state le applicazioni web-based (Google Docs, Salesforces) e i metodi di distribuzione software (Apple Store). Una Smart City presuppone un infrastruttura in grado di supportare tutte le applicazioni di controllo e monitoraggio che ne stanno dietro, un sistema in grado di comandarle

14 richiede ingenti quantità di risorse, elevati requisiti energetici, un raffreddamento costante, e soprattutto una spesa elevata. Le applicazioni e i dati possono essere disponibili tramite tecnologie di Cloud Computing, un sistema di virtualizzazione che permette un bilanciamento delle risorse in modo da ridurre i costi e aumentare l efficienza dei server. Le più grandi aziende del settore sfruttano ormai da anni questa tecnologia, la grande proliferazione di servizi l'ha resa accessibile e, in caso di prodotti entry level, gratuita. Alcune applicazioni utilizzabili nelle future Smart Cities si sono sviluppate seguendo questo concetto, alcuni esempi sono: Waze, un sistema di navigazione GPS per smartphone che si basa sulle segnalazioni degli stessi utenti (crowdsourcing); sfrutta una rete di distribuzione per la condivisione di informazioni anonime su velocità e posizione degli utenti per fornire dettagli sul traffico in tempo reale; Open Table permette di effettuare prenotazioni online ai ristoranti in modo rapido, gratuito e segnalando immediatamente la disponibilità di posti liberi; Trash Track è un sistema di monitoraggio dei rifiuti differenziati attraverso etichette elettroniche, in modo da permettere un corretto smaltimento; a Singapore un software fornisce una serie di informazioni: informa i cittadini su quale percorso è meno trafficato, il meteo aggiornato a misura di quartiere, prenotazione di taxi, avviso sui consumi di energia, ed altro ancora. Tutti i dati rilevati consentono al cittadino di partecipare all'intero sistema, i comportamenti si modificano in base alla realtà da cui l'individuo è circondato, divenendo così un contagio sociale. In Italia esiste un'applicazione chiamata Decoro Urbano che permette ai cittadini di segnalare ogni forma di degrado della propria città. In questo senso il comune avrà enormi benefici; i cittadini contribuiranno nella segnalazione di eventuali buche presenti nelle strade, di affissioni abusive, di rifiuti abbandonati, tutto visualizzabile con chiarezza su una mappa interattiva, per permettere così agli addetti di intervenire tempestivamente

15 In Gran Bretagna, dove a breve si svolgeranno le Olimpiadi di Londra, una delle nuove applicazioni rivoluzionarie è Fix My Transport. Permette gratuitamente di segnalare eventuali malfunzionamenti di tutta la linea di trasporti, anche in questo caso migliorando sensibilmente l'efficienza nell'eventuale riparazione o sostituzione dei mezzi. In questo modo si rendono i cittadini gli artefici del miglioramento e dell'ottimizzazione delle proprie città, permettendo di valorizzare il patrimonio esistente, correggendo errori urbanistici e permettendo di aumentare l'efficienza delle infrastrutture esistenti. Il concetto di Smart City si estende su una vasta gamma di soluzioni, Londra ad esempio sta cogliendo bene il senso di "Smart", costruendo un parco olimpico all'avanguardia e che renda più interessante l'esperienza dei giochi, garantendo un ambiente piacevole, tecnologicamente avanzato e rispettoso dell'ambiente. Gli esempi in tutto il mondo sono molteplici e in continuo sviluppo, mostrando grande interesse all'innovazione e alla qualità da offrire ai propri cittadini Olimpiadi di Londra Durante le Olimpiadi di Londra, oltre alle tante gare sportive, sarà possibile ammirare la prima vera realtà di Smart City [4]. Cuore del sistema applicato alla nuova città hi-tech, costruita a Greenwich, è lo Urban OS, un sistema operativo che opera in maniera locale e gestisce tutte le infrastrutture. Sarà capace di monitorare in tempo reale la rete idrica, il sistema di trasporti e dell'energia attraverso l'elaborazione dei dati rilevati da sensori. Verranno "connessi" tra loro palazzi, lampioni, aziende, sanità, e tutti i sistemi presenti in un ambiente urbano faranno parte di una sola rete di comunicazione gestita dal medesimo software. Per poter realizzare un tale sistema è stato necessario progettare lo Urban OS in maniera estremamente robusta: questo costituisce una priorità che permette di soddisfare l'esigenza di controllare sistemi fondamentali, come quelli sanitari

16 Tuttavia, nonostante gli enormi vantaggi e l'elevato risparmio energetico, bisogna fare in modo che la privacy delle persone non venga violata, è quindi necessario rendere i dati assolutamente anonimi. Grazie a questa grande mole di dati è possibile sviluppare applicazioni di ogni genere. Alcuni esempi sono: rendere disponibili, sul proprio tablet o smartphone, informazioni su eventuali congestioni del traffico, l'acquisto di biglietti direttamente alla fermata tramite chip NFC (Near Field Communication), la conoscenza in tempo reale della disponibilità di parcheggi o di biciclette per il noleggio. Il centro urbano viene reso "intelligente" dalle tecnologie informatiche e delle TLC. Il sistema è complesso, il segreto sta nel fornire dati tramite portali locali della pubblica amministrazione e renderli facilmente accessibili. In tal modo il laboratorio che creerà le applicazioni sarà la città stessa, in base alle proprie esigenze. Con l obiettivo di ridurre l impatto ambientale delle Olimpiadi di Londra, sono state installate 120 stazioni di ricarica per veicoli elettrici, insieme alla disponibilità di 200 vetture elettriche per gli spostamenti degli atleti e dei dirigenti. Un modo per cercare di rendere più pulita l'aria di una delle città più inquinate e trafficate al mondo e, allo stesso tempo, per rendere consapevoli i cittadini dello sviluppo di tali tecnologie Esempi di Smart Cities In tutto il mondo stanno nascendo diverse realtà di Smart Cities, in Europa uno degli esempi più importanti viene dalla Germania, la città di Mannheim sotto il progetto denominato MoMa (Model City Mannheim). Dopo aver svolto molti esperimenti nelle città di tutto il paese, l'interesse nelle smart cities ha portato allo sviluppo del sistema E-Energy, capace di far comunicare fra loro utenze domestiche e produttori di energia. Si sono poste così le basi per la costruzione di una Smart Grid

17 Tramite questo progetto, Mannheim è riuscita a garantire un elevato livello di stabilità dell'approvvigionamento energetico combinato ad un grande risparmio, evitando inutili sprechi attraverso una combinazione di produzione di energia centralizzata (pannelli solari domestici, mini eolico) e decentralizzata (centrali elettriche). Il grande vantaggio della smart grid in MoMa è quello di combinare avanzati apparati di comunicazione, di rilevamento e di misurazione, delle infrastrutture con la rete elettrica esistente. Uno di questi apparati è l'energy Butler, uno strumento in grado di visualizzare il consumo energetico di un'abitazione o di un'azienda. E' possibile impostarlo in modo tale da sfruttare l'energia in eccesso prodotta da fonti rinnovabili o nei momenti in cui il prezzo di energia è basso. In questo modo è possibile avere un'ottimizzazione dell'energia senza che ci siano differenze nel livello di confort da parte dell'utilizzatore e assicurandogli il controllo totale del sistema. L'utilizzo di smart grid implica inoltre la creazione di un mercato di energia basato sulla concorrenza dei prezzi, possibile grazie al monitoraggio dei consumi e dalla quantità di consumatori e di fornitori presenti sulla rete di distribuzione. Applicare queste tecnologie d'altro canto è molto costoso, inoltre per il corretto funzionamento c'è bisogno di consumatori interessati a integrare il sistema nella loro vita quotidiana. In futuro, quando la tecnologia sarà ulteriormente sviluppata, questi sistemi saranno totalmente integrati nelle nostre abitazioni e riusciremo ad adeguare le nostre abitudini ad essi. Oltre al progetto MoMa, nel mondo, sono in sviluppo altre soluzioni. Un esempio è Masdar City, letteralmente "La Città Sorgente". E' in fase di costruzione ad Abu Dhabi negli Emirati Arabi Uniti. A differenza di Mannheim che è stata adattata alle nuove tecnologie, in questo caso la città è stata fin da subito "pianificata" sulle basi di una smart city

18 Masdar City è una città moderna, offre un'alta qualità della vita con un'impronta ecologica estremamente bassa. Pur essendo uno dei paesi leader petroliferi mondiali, l'apporto energetico della città avverrà esclusivamente tramite un parco solare, pannelli solari termici, impianti eolici e geotermici. Tutto questo farà risparmiare alla città oltre 2 miliardi di dollari l'anno. Avrà un'economia a zero emissioni, un sistema totalmente privo di rifiuti e con un tasso elevatissimo di riciclaggio. La mobilità sarà affidata esclusivamente al PRT (Personal Rapid Transit), un sistema di trasporto elettrico automatizzato senza conducente, totalmente a impatto zero. Le normali auto non potranno circolare. La città inizialmente ospiterà persone, 1500 imprese e un polo universitario realizzato in collaborazione con il Massachusetts Intitute of Technology, il Masdar Institute of Science and Technology, dove verranno effettuati studi e ricerche nel campo delle energie rinnovabili. Masdar City punta a diventare l'esempio da seguire a livello mondiale, sperimentando nuove tecnologie e creando una piattaforma commerciale senza precedenti. All'interno saranno ospitate le sedi di alcune delle più importanti compagnie internazionali, tra queste spicca la General Electric, un partner strategico che costruirà il primo centro Ecomagination nella città. Il centro promuoverà nuove soluzioni tecnologiche sostenibili e la loro diffusione in tutto il mondo

19 L'Italia nel frattempo non è rimasta a guardare, prendendo spunto da queste realtà si sono sviluppati nuovi progetti in diverse città del paese. Tra tutte spicca sicuramente il progetto WiMove Progetto WiMove In Italia un primo accenno alle smart cities arriva dal progetto WiMove, un sistema incentrato su servizi di infomobilità attraverso una rete WiFi, già implementato in 5 città: Roma, Firenze, Cagliari, Parma e Genova. A differenza delle altre città, il progetto non si limita a fornire esclusivamente servizi di connettività ai cittadini, in realtà è stato sviluppato in maniera più vasta e complessa. Il sistema impiega una serie di access point WiFi Short Range ad accesso gratuito applicati in posizioni strategiche della città, anche utilizzando infrastrutture già esistenti. Questo costituisce il substrato per l implementazione di servizi innovativi a valore aggiunto pensati sia per l utente finale (il cittadino e il turista), sia per le aziende che possono comunicare attraverso canali differenti da quelli convenzionali. L'utilizzatore, trovandosi in transito nei pressi di un access point (sia esso a piedi, in auto, in autobus, in treno, ecc) può connettersi al sistema attraverso un dispositivo mobile. In tal modo ha accesso ad una vasta quantità di informazioni aggiornate in tempo reale: riferite allo stato di congestione della rete stradale, quindi ai tempi di percorrenza, alla disponibilità e ai tempi di attesa delle corse del trasporto pubblico, agli eventuali ritardi del trasporto ferroviario, a eventuali cancellazioni. Essendo i dati aggiornati in tempo reale si rende possibile la modifica della pianificazione del viaggio e la scelta della modalità di trasporto che meglio soddisfa le esigenze dell utente in quel preciso momento. E' stato inoltre predisposto un servizio di pagamento immediato del biglietto tramite la rete WiFi. La possibilità di integrare molti servizi paralleli ha reso possibile l'attivazione di una guida turistica in formato elettronico: il turista collegandosi al sistema, può scaricare sul

20 proprio dispositivo contenuti georeferenziati multilingue sottoforma di file audio, in modo da disporre di una guida personale di tutta la città. Nella città di Parma è presente anche un sottoprogetto denominato Ecologistic, relativo al trasporto delle merci in ambito urbano; sfrutta nuovi sistemi di organizzazione, di mobilità sostenibile e di rispetto ambientale. La rete di comunicazione di questo sistema è affidato ad antenne che utilizzano la tecnologia Hyperlan e ad una stazione radio base per la copertura dell'aeroporto e della stazione ferroviaria, le distanze raggiungibili sono nell'ordine di 10Km con velocità di 54Mbps. Ecologistic, attraverso un software proprietario per la gestione della logistica e della distribuzione dei mezzi, ha sviluppato 4 macro processi: ricevimento ordini; pianificazione consegne; ottimizzazione dei percorsi; localizzazione flotta veicoli. Per il corretto funzionamento del sistema, tutti i mezzi di trasporto merci utilizzano un sistema GPS. I dati forniti dai mezzi di trasporto, faranno parte della rete di sensori che permette di avere informazioni sul traffico, integrabile direttamente all'interno del progetto WiMove, per fornire aggiornamenti in tempo reale basato sugli effettivi spostamenti dei mezzi e non solo su eventi statistici

21 2.3. Cloud Computing L erogazione di nuovi servizi rende necessario l impiego di sistemi in grado di gestire e permettere lo scambio di dati tra i vari apparati. Un modo per esternare le rilevazioni fatte dai vari sensori in sistemi come WiMove è quello di renderle disponibili tramite Public Cloud (nuvola pubblica). Il termine "Cloud" (nuvola) deriva dal fatto che, anni fa, veniva spesso utilizzata questa forma nei diagrammi per la descrizioni di Internet, un luogo "irraggiungibile", ben al di là della propria casa o ufficio. Un luogo dove sia i dati che i programmi sono allocati, ospitati su internet, o in gergo "in the cloud", invece che sui server o su apparecchi "fisici" dell'utente. Il sistema risulta quindi integrato con la rete Internet, un luogo accessibile a tutti e da ogni parte del mondo, che consente di soddisfare sempre più crescenti esigenze di informatizzazione e di comunicazione. L'innovazione del Cloud Computing risiede nel fatto che, grazie alla grande maturità delle tecnologie impiegate, tali risorse sono facilmente configurabili e caratterizzate da un utilizzo flessibile, in linea con le esigenze di crescita di un paese moderno [5]. La collocazione delle infrastrutture, la riorganizzazione dei flussi informativi, la razionalizzazione dei costi, sono le principali caratteristiche del sistema. Da una parte si

22 avrà una semplificazione del dimensionamento iniziale dei sistemi e delle applicazioni, dall'altra una spesa ridotta per gli adeguamenti tecnologici. Per l utente medio è come disporre di un pc con potenza di calcolo e capacità di memoria inimmaginabili. Il costo di tale servizio appare evidentemente inferiore ad un pc di pari caratteristiche. Tutte le operazioni, i calcoli, la memoria fisica, sono a carico del servizio di cloud computing. Tale sistema si sta diffondendo sopratutto tra utenti con limitate risorse economiche (piccole o medie imprese, pubbliche amministrazioni, cittadini), questo perché risulta particolarmente indicato per la condivisione di dati in sistemi come le smart cities, facilmente integrabile in infrastrutture e applicazioni esistenti, e con la possibilità di essere gestito da un fornitore di servizi specializzato. Nell'ambito del cloud computing si può distinguere tra private cloud e public cloud. Una private cloud (o nuvola privata) è un infrastruttura informatica dedicata sopratutto alle esigenze di una singola organizzazione. Può essere ubicata in locali privati o affidata in gestione ad un terzo (nella tradizionale forma dell hosting dei server) nei confronti del quale il titolare dei dati possiede un controllo puntuale. Le public cloud, invece, sono infrastrutture di proprietà di un fornitore specializzato nell erogazione di servizi, che mette a disposizione i propri sistemi ad utenti, aziende o amministrazioni. Acquistare servizi cloud significa disporre, presso un fornitore di servizi, di risorse, come ad esempio server virtuali o spazio su disco, oppure applicazioni, ad esempio posta elettronica o programmi di elaborazione dati. Inoltre essendo servizi a consumo è possibile far fronte ad eventuali esigenze aggiuntive (maggiore spazio o maggiore potenza elaborativa). L'utilizzo di questo tipo di servizi beneficia di enormi vantaggi come ad esempio: Abbassamento dei costi iniziali: utilizzare software "in the cloud" riduce enormemente l investimento delle apparecchiature e dei sistemi. Le applicazioni informatiche risiedendo sul web usufruiscono della capacità elaborativa e di stoccaggio fornita dal gestore. In questo modo i costi iniziali si riducono

23 enormemente e costituiscono solo l'effettivo utilizzo del servizio fornito, potendo però contare su sistemi ben al di sopra delle possibilità dell'utente medio. Sistema aggiornato: saranno sempre utilizzate le versioni più aggiornate dei programmi, senza bisogno di supporto IT per l'aggiornamento; Rischi ridotti: la sicurezza dei dati diventa un problema dell'hosting provider che deve farsi carico della protezione dei dati che gli sono stati affidati; Accesso ai servizi in ogni momento e in ogni luogo: possibilità di accedere a documenti e servizi via web da qualsiasi luogo. Tuttavia questa tecnologia riserva anche degli svantaggi che devono essere valutati: Sicurezza informatica e privacy: l utilizzo di un servizio di cloud computing espone l utente a rischi di privacy, la memorizzazione dei dati personali avviene spesso in server farms di aziende situate in paesi esteri e quindi con norme diverse per la regolamentazione dei diritti di copyright. Questi dati possono essere usati per effettuare ricerche di mercato o profilazione degli utenti. I dati inoltre sono più soggetti a fenomeno di attacchi di pirateria informatica o di spionaggio industriale e per ovviare a questo pericolo è necessario che siano predisposti adeguati livelli di sicurezza. Problemi internazionali: la raccolta dei dati pubblici può essere effettuata in archivi privati situati in un paese diverso da quello degli utenti. Grandi aziende di marketing potrebbero accedere all enorme quantità di informazioni personali e, se non regolamentate da norme internazionali, potrebbero essere ceduti a terzi senza che gli utenti lo vengano a sapere. Inoltre la detenzione di una così ingente quantità di dati possono favorire l aumento del digital divide tra paesi ricchi e poveri, questo perché l accesso ai dati sarebbe limitato alle sole persone in possesso delle tecnologie necessarie Continuità del servizio: il rischio per l utente, delegando a terzi la gestione dei propri dati e la loro elaborazione, è quello di essere totalmente inerme nel caso i servizi non fossero operativi (out of service). In caso di malfunzionamento del sistema si bloccherebbero contemporaneamente un numero elevato di utenti dato

24 che il sistema utilizza servizi condivisi. Il fornitore può ripararsi da questa eventualità utilizzando architetture ridondanti, replicando i dati in un numero maggiore di server, in questo modo si riducono i disservizi visibili all utente. Difficoltà di migrazione dei dati: può essere necessaria la migrazione dei dati tra diversi fornitori. L'operazione non è semplice dato che non esiste uno standard comune. Questo può accadere per diverse ragioni, anche l'eventuale fallimento del gestore dei servizi. Dipendenza dalla connessione internet: L utilizzo del servizio dipende esclusivamente dalla connessione alla rete Internet che assume un ruolo fondamentale, senza la quale l'utente non può effettuare alcun accesso o modifica ai propri dati. Possono verificarsi interruzioni della connessione dovuta all Internet Service Provider/ISP, paralizzando così ogni attività. Alcuni esempi di servizi di cloud computing forniti da grandi aziende sono: icloud, prodotto dalla Apple, o Google Chrome OS. Entrambi sono dei veri e propri sistemi operativi, con la particolarità che questi risiedono dentro il browser di rete e non sul proprio pc. Gratuitamente forniscono applicazioni base e uno spazio di alcuni GB di memoria dove poter salvare documenti e file, mentre a pagamento si possono potenziare tali servizi. La comodità è evidente, l utente può accedere da qualsiasi dispositivo con connessione internet e lavorare come se fosse sul proprio pc. Un altro esempio sono i Social Network, ormai in voga da alcuni anni, soprattutto tra i giovani. Concedono gratuitamente uno spazio senza limiti per la condivisione di contenuti multimediali. Questi sono stati soggetti a richiami da parte di istituti garanti della privacy per la cessione illecita di informazioni personali, capaci di costruire annunci pubblicitari mirati, in linea agli interessi personali dei singoli utenti. Anche Microsoft da alcuni anni fornisce una versione del suo noto Pacchetto Office Online, offrendo la possibilità di utilizzare tutti i programmi direttamente su internet senza dover installare alcun software sul proprio pc. L utilizzo di queste tecnologie avviene molto spesso senza la consapevolezza dei rischi celati al suo interno, l utente infatti sfrutta i social network per la condivisione di

25 informazioni, foto, geolocalizzazioni, o hard disk remoti per disporre sempre dei propri documenti da ogni parte del mondo. Attraverso smartphone, tablet, pc, l accesso è possibile in ogni momento e in ogni luogo, proprio per questo motivo la sicurezza dei propri dati è legata a fattori non dipendenti da noi stessi. Il cloud computing non è un fenomeno del momento, da molti è considerato il passo successivo dell evoluzione della rete, la quale non fornisce più solamente una condivisione di pagine o documenti, ma diventa la porta d accesso a risorse elaborative di un provider di servizi attraverso l utilizzo di applicazioni disponibili in modalità web. Come si dice molto spesso in rete, il futuro è nella Cloud Controllo di Ambienti e Domotica La parola "domotica" proviene dal latino, dall'unione della parola "domus" (casa) e "informatica" [6]. Questa disciplina si occupa dello studio delle tecnologie adibite a migliorare la qualità della vita, grazie all'automazione, applicata in ambienti residenziali, lavorativi o pubblici. I principali motivi che spingono l'utilizzo della domotica sono: risparmio energetico; riduzione dei costi; massimizzazione della sicurezza. L'impianto è costituito principalmente da una centralina di controllo (o controllore domotico), dispositivi e apparati capaci di comunicare tra loro, sensori e attuatori. Il controllo è affidato interamente alla centralina che elabora i dati provenienti dai sensori e comunica attraverso reti cablate (Bus di comunicazione), o senza fili (Zigbee, infrarossi, onde radio) con le apparecchiature presenti. Le applicazioni sono molteplici e modulari, è possibile ad esempio: gestire la sicurezza (controllo antincendio, fuga di gas, allagamento, antintrusione, sistemi di

26 videosorveglianza, collegamento con forze di polizia o di soccorso), la climatizzazione (riscaldamento, condizionatori, temperature di esercizio per ogni stanza, apertura finestre), la multimedialità (controllo telefonia, citofono, fruizione multimediale audio/video), l'impianto elettrico (automazione delle porte, chiusura automatica, apertura serrande o tende, visualizzazione dei consumi elettrici), l'illuminazione (accensione automatica di punti luce, spegnimento automatico quando si lascia un ambiente o l'abitazione), l'irrigazione del giardino (accensione programmata o comandata a distanza, spegnimento automatico in caso di pioggia) e comandare gli elettrodomestici (accensione programmata o comandata a distanza, pulizia pavimenti attraverso robot domestici). Ognuna di queste applicazioni può funzionare in maniera completamente autonoma, basandosi su eventi specifici da eseguire a determinate condizioni dei sensori, o programmabile dall'utente attraverso la centralina, la quale comunica o tiene sotto controllo i dispositivi della rete. Questo sistema è alla base delle "Smart House", case intelligenti, capaci di assumere determinati scenari autonomamente, senza l'ausilio diretto dell'uomo, ottimizzando i parametri controllati attraverso software dinamici capaci di apprendere dalle variazioni ambientali. La casa diventa intelligente perché riesce a sfruttare, non apparecchi intelligenti, ma un sistema in grado di controllare e gestire in modo facile gli impianti presenti

27 Il controllo dell'intero sistema è affidato ad un software integrato nella centralina, normalmente Linux, capace di comunicare attraverso i sensori e di ricevere ed inviare comandi via sms, , telefono o tramite comandi vocali. Il sistema è inoltre controllabile in remoto attraverso palmari, smartphone, tablet, pc, i quali sfruttando un browser, possono connettersi al Web Server della centralina e comandarla a distanza. Il sistema, sfruttando un router, è collegato alla banda larga per poter usufruire della rete come mezzo di comunicazione esterno, permettendo così un controllo remoto o la fruizione di contenuti multimediali online. Uno dei punti critici di questa tecnologia è il costo dell'intero impianto: motorizzare tende, tapparelle, cancelli, impianti di allarme, sensori e apparecchiature in grado di comunicare la rendono inevitabilmente fuori dalla portata di molte persone. In cambio si avrebbe però una casa più sicura, inoltre tenere monitorati alcuni parametri permetterebbe di ridurre molti incidenti domestici. Il risparmio energetico derivante dalla gestione computerizzata dell impianto di riscaldamento, condizionamento e luci ridurrebbero al minimo gli sprechi. Questi benefici possono ripagare la spesa iniziale, che inizialmente può essere incentrata alla sicurezza e al risparmio e, in seguito, vista la modularità del sistema, si può ampliare l'architettura aggiungendo nuovi controlli e automatismi. Tali sistemi, se applicati ad intere costruzioni, costituiscono la "Building Automation", ovvero la possibilità di rendere l'intero edificio capace di regolare i propri impianti (climatizzazione, energia, gas, acqua, impianti di sicurezza) automaticamente in base alle effettive necessità. Esistono infinite possibilità di progettazione, ognuna pensata per esigenze diverse che possono essere estese anche a persone con disabilità. Nel caso ad esempio di persone con problemi di mobilità, ipovedenti o ipoudenti, si potrebbe adattare una versione personalizzata del sistema in modo tale da richiedere l'uso della sola voce, del solo tocco, trasmettere le informazioni solo in forma visiva o audio. Si avrebbe, in questo caso, un grande miglioramento della qualità della vita dell'utente che non sarebbe costretto a ricorrere all'aiuto di assistenti altrimenti necessari. Recentemente la società DomoBuilder ha adottato gli Ambient Electronic Devices per il controllo e l'interazione con il sistema domotico. Integrare l'intuitività di tali dispositivi

28 all'interno del mondo della domotica ha permesso il controllo del sistema attraverso oggetti che non richiedono particolari conoscenze o abilità nel loro utilizzo. Il WiMirror, che verrà descritto più avanti, ben si adatta a questo ambito, nascondendo dietro un oggetto di uso comune la possibilità di diventare un pannello di controllo. Il dispositivo fungerebbe sia da input che da output, eseguendo ad esempio allarmi visivi o sonori su un eventuale stato di pericolo, la notifica di un messaggio importante, visualizzazione a schermo dei consumi, oppure, semplicemente rilevando la nostra presenza nella stanza, l'accensione di luci o sistemi di intrattenimento

29 3. Progetti I progetti sviluppati, il WiTube ed il WiMirror, sono stati pensati per rispondere a determinati requisiti di funzionamento, richiedendo una struttura semplice e intuitiva ed un controllo rapido e immediato. Il WiTube si presenta come una lampada multimediale, la quale attraverso l'interazione dei sensori capacitivi posti dietro la superficie permette il controllo di alcune applicazioni multimediali. Il suo utilizzo è pensato per rispondere alla richiesta di un dispositivo semplice ma allo stesso tempo con la possibilità di integrare applicazioni informative diverse (meteo, webradio, multimedialità). Gli ambiti di utilizzo sono molteplici, da quello domestico, a quello lavorativo, a quello pubblico attirando gli utenti ed invogliandoli ad interagire attraverso feedback luminosi. Il WiMirror è invece uno specchio interattivo, dietro il quale si nasconde lo stesso sistema capacitivo del WiTube. Permette di effettuare i medesimi controlli multimediali, ma ha in aggiunta un display LED ed alcuni sensori, i quali permettono di ricevere informazioni sull'ambiente circostante così da poter automatizzare determinate azioni senza alcun intervento da parte dell'utente. In questo modo è possibile utilizzarlo come pannello di controllo di un eventuale sistema domotico, permettendo di ricevere notifiche dai sistemi installati e il controllo di essi. In entrambi i casi l'utente può interfacciarsi con i dispositivi anche attraverso delle applicazioni web dalle quali il proprietario può anche effettuare il setting iniziale. I due dispositivi presentano dei sistemi complessi che richiedono di essere valutati preventivamente in ogni singolo settore. Per entrambi sono stati studiati gli elementi che stanno alla base della rilevazione capacitiva, considerando le possibili strade da percorrere e quelle da evitare. Sono stati inoltre studiati alcuni principi di illuminazione, della riflessione e della rifrazione

30 3.1. Caratteristiche dei Progetti La fondamentale caratteristica richiesta dai progetti è l'intuitività; sono stati pensati in modo tale da risultare di semplice comprensione per qualsiasi utilizzatore, questo ha richiesto una struttura semplice e principalmente di alcune tecnologie comunicanti tra loro attraverso una scheda Arduino: sensori capacitivi a bassa e alta sensibilità; sistema di illuminazione a LED con controllo di potenza ed effetti dinamici; sistema di controllo multimediale con archiviazione dei dati in cloud. Il dispositivo risultante adotta una struttura che richiama l'utente ad effettuare gesti volti alla comunicazione con l'apparato. Sono stati inoltre necessari studi su alcuni principi di ottica, questo ha permesso di sfruttare le caratteristiche speciali di determinati materiali per la realizzazione del WiMirror Tecnologie Impiegate Verranno ora descritte brevemente le tecnologie e i concetti utilizzati per la realizzazione dei progetti sviluppati. In particolare verrà fatto riferimento alla fisica dei capacitori, studiando tutti gli elementi fisici e i principi alla base del loro funzionamento. Verranno inoltre descritte le diverse tipologie di illuminazione presenti, in particolar modo i dispositivi LED e le loro proprietà. Inoltre verrà introdotto il concetto che sta alla base del funzionamento dello specchio del WiMirror, il principio che gli permette di essere sia riflettente che trasparente Fisica dei Capacitori In questo paragrafo sono descritti i componenti e gli effetti fisici che contribuiscono al funzionamento dei sensori utilizzati, gli effetti capacitivi utili al riconoscimento dell interazione dell utente e quelli parassiti causati da fenomeni esterni. E bene

31 conoscere tutti gli agenti che influenzano le grandezze in gioco per una più facile regolazione dei sensori in fase di progettazione e per l'ottimizzazione della struttura portante del sistema Capacità Elettrica La capacità elettrica è una grandezza fisica scalare che descrive la quantità di carica presente in un corpo sottoposto a potenziale elettrico, dipendente dalle caratteristiche fisiche e geometriche del corpo, ed è definita come il rapporto tra la carica accumulata ed il potenziale elettrico applicato al corpo stesso: C = Q / V Nel Sistema Internazionale di unità di misura la capacità elettrica si misura in Farad, equivalente ad un Coulomb su Volt. Il condensatore è uno dei dispositivi più utilizzati per l'accumulo di carica, successivamente verrà descritto più in particolare quello a facce piane parallele Dielettrici I materiali dielettrici sono denominati isolanti elettrici, ovvero possiedono idealmente una conducibilità elettrica nulla. Faraday scoprì che se questi materiali vengono posti tra le armature di un condensatore a facce piane permettono di amplificare la capacità del condensatore di un fattore dipendente solo dal tipo di isolante impiegato, e quindi dalla sua costante dielettrica relativa ε r. Essa misura la diminuzione dell'intensità del campo elettrico dovuta all introduzione del dielettrico: E = E 0 / ε r

32 in cui E è l'intensità del campo elettrico all'interno del dielettrico ed E 0 l'intensità del campo elettrico quando tra le armature c'è il vuoto. Viene invece chiamata costante dielettrica assoluta ε il prodotto di ε r per la costante dielettrica del vuoto (o permittività elettrica del vuoto) ε 0. L'introduzione di un dielettrico lascia invariata la carica presente nel condensatore, e ovviamente anche la distanza tra le armature e la loro superficie non subiscono variazioni. Si ha però un aumento della capacità, dovuta alla differenza di potenziale, la quale diminuisce per via dell'introduzione del dielettrico. All'aumentare della costante dielettrica relativa ε r la differenza di potenziale diminuisce. Essendo la differenza di potenziale data da: ʃ γ E dl si deve considerare che in questo caso il campo elettrico è legato alle densità di carica delle leggi di Gauss e, quindi la carica racchiusa all'interno di un volume infinitesimo nel dielettrico risulta più piccola che nel vuoto. Esistono svariati materiali che possono essere utilizzati come dielettrico, ognuno con caratteristiche diverse, nella maggior parte dei condensatori viene impiegata la ceramica. Di seguito le principali caratteristiche di alcuni materiali: Materiale ε r Rigidità dielettrica (V/m) Aria Plexiglass Carta Gomma Vetro Ceramica Acqua

33 Le conseguenze che si possono verificare sul dielettrico, qualora venisse sottoposto ad un campo elettrico eccessivo, sono la produzione di una corrente elettrica o meglio una scarica, non solo al suo interno, ma anche tra le armature, dovuta alla rottura delle molecole del materiale e alla loro ionizzazione. La rigidità dielettrica misura la resistenza del dielettrico a questo processo distruttivo; tale grandezza caratteristica viene definita come rapporto tra il valore della differenza di potenziale alla quale si produce la scarica distruttiva e la distanza tra le armature alle quali la differenza di potenziale è applicata. Quindi affinché tali materiali possano essere utilizzati in queste situazioni, devono presentare le seguenti caratteristiche: elevata resistenza dielettrica, non devono diventare conduttori, ossia devono adattarsi ad elevati voltaggi senza degradarsi; bassa perdita dielettrica, deve essere ridotta al minimo la perdita di energia elettrica sotto forma di calore in un campo elettrico alternante. Oltretutto, tali materiali devono avere proprietà termiche, meccaniche e chimiche superiori, specialmente quelli utilizzati in microelettronica come isolanti. Esistono due tipologie di dielettrici, polari e non polari

34 Nel primo caso i baricentri delle cariche elettriche positive e negative che costituiscono una stessa molecola, sono separati e formano un dipolo elettrico permanente anche in assenza di campo elettrico esterno. Quando invece viene applicato, avviene il fenomeno della polarizzazione per orientamento, in cui i dipoli tendono a orientarsi nella direzione del campo. In un materiale dielettrico non polare, si parla invece di polarizzazione per deformazione, perché la formazione dei dipoli è dovuta alla deformazione degli atomi e/o delle molecole del materiale solo al momento dell'applicazione del campo elettrico esterno; essi si chiamano dipoli elettrici indotti. La capacità di polarizzazione di un dielettrico varia con la temperatura, che ha la massima influenza nel caso di dielettrici polari, perché l orientazione disordinata dei dipoli, causata dall agitazione termica, fa si che si crei opposizione all orientazione nella direzione del campo. La polarizzazione di un dielettrico diminuisce l'intensità del campo all'interno del dielettrico; è una proprietà utile per aumentare la capacità di un condensatore attraverso l'introduzione di materiale dielettrico tra le armature Condensatore a Facce Piane Il condensatore è un dispositivo adibito all'accumulo e alla conservazione di carica elettrica. Verrà considerato nel dettaglio la versione a facce piane parallele. La sua struttura è costituita da due armature, rappresentate da due conduttori laminari e

35 paralleli, posti a distanza d, che risulta piccola se confrontata con le dimensioni lineari delle facce. Tra le due armature è inoltre presente un materiale dielettrico, che ricopre interamente il volume interposto tra esse. Il processo di immagazzinamento della carica avviene sulla superficie delle piastre che sta a contatto con il dielettrico, in questo modo il campo elettrico che si crea all esterno risulterà nullo a causa dei due campi aventi stesso modulo ma segno opposto, mentre risulterà doppio all interno, in quanto in questo caso i due campi sono caratterizzati da uguale modulo e verso. L energia elettrostatica accumulata dal condensatore si posiziona proprio nel materiale dielettrico fra le due armature. Come visto in precedenza la capacità è data dal rapporto tra carica Q e potenziale elettrico V. La carica a sua volta dipende dalla grandezza ε che descrive il materiale dielettrico all'interno del condensatore. Di seguito vengono considerati diversi casi: Quando tra i piatti c'è il vuoto, la Capacità C 0 è definita come: C 0 = ε 0 A/d dove ε 0 è la permittività del vuoto e A è l'area delle armature. Come si può notare C 0 dipende da A e da d. Se si applica una differenza di potenziale V tra le armature, quella collegata al potenziale più alto si carica positivamente, l'altra negativamente, e viene immagazzinata al loro interno una quantità di carica Q 0, pari a: Q 0 = C 0 V Si può affermare quindi che la carica è proporzionale alla tensione applicata e che la costante di proporzionalità è proprio la capacità elettrica relativa a quel particolare condensatore, misurata in Farad [F]. Introducendo tra le facce del condensatore un materiale dielettrico e applicando la stessa differenza di potenziale, la quantità di carica immagazzinata aumenta a Q 1 e conseguentemente anche la capacità cresce a C 1. La relazione che coinvolge questo aumento di capacità dipende proprio dalla costante dielettrica ε r del dielettrico ed è espressa come: ε r = C 1 /C

36 Tale valore dipende dal grado di polarizzazione o di spostamento di carica che avviene nel materiale, più sarà alto e più la mobilità delle cariche del materiale è alta. Ad esempio quello dell'aria è circa ε r = 1, nella maggior parte dei solidi ionici ε r = 5-10, mentre nei materiali ferroelettrici come BaTiO 3, ε r = La capacità di un condensatore piano a facce parallele con la presenza di un materiale dielettrico è quindi: C 1 = ε 0 ε r A/d Capacità Parassita La Capacità Parassita presente nei componenti elettronici indica la presenza di effetti capacitivi non desiderati che causano un allontanamento del comportamento di un dispositivo reale rispetto ad uno ideale. Sono causati da elementi che, per natura progettuale, stando vicini creano delle capacità che a livello teorico non dovrebbero essere presenti nel circuito e che quindi spostano il punto di lavoro lontano da quello preventivato. In un circuito integrato, dove sono stampate piste metalliche a distanza molto ravvicinata, queste si comportano proprio come un condensatore. La capacità, come detto in precedenza, dipende da C = ε A/d, in questo caso il silicio costituisce il dielettrico e si comporta come l'isolante, mentre le due piste vicine sottoposte a differente potenziale, si comportano come armature. Ovviamente non è possibile eliminare completamente questi effetti, ma è possibile progettare il circuito in modo tale da renderli trascurabili. In caso di frequenze elevate si possono sfruttare le capacità parassite presenti tra le piste del circuito per la costruzione di oscillatori e circuiti miniaturizzati. In caso di collegamenti di sensori, invece, basta l'utilizzo di cavi schermati (di tipo coassiale ad esempio) per ridurre l'effetto di capacità parassite dovute a interferenze circuitali, sopratutto quando si ha a che fare con sensori capacitivi

37 Elettrofisiologia ed Effetto Capacitivo All interno del corpo umano avvengono numerosi fenomeni elettrici, che costituiscono la base del sistema di informazioni che si propagano in esso. Ogni tessuto è il risultato di un insieme di cellule in stretta connessione tra loro e della soluzione che le circonda (liquido interstiziale). Oltre a questo, è presente anche il liquido intracellulare, ossia il liquido all'interno della cellula. Entrambi, sono costituiti per la maggior parte da acqua, con approssimativamente la stessa concentrazione di ioni, ma gli scambi di alcuni di essi fra i due liquidi sono limitati da una sottile membrana che tiene separati i liquidi stessi. Lo ione è definito come una specie chimica elettricamente carica. In pratica, quando un atomo (o una molecola) cede o acquista uno o più elettroni si trasforma in uno ione (K +, Na +, Cl -, ). Essi risentono del campo elettrico generato dagli altri ioni e la membrana cellulare presenta una permeabilità agli ioni di tipo selettivo: più permeabile ai K +, che non agli Na +. Una cellula, nello stato stabile, può essere rappresentata come in figura. Il liquido interstiziale e quello intracellulare hanno rispettivamente una resistività di circa 60 ohm cm e 200 ohm cm, quindi costituiscono dei buoni conduttori elettrolitici. La resistività della membrana cellulare è invece di circa 109 ohm cm e ha una costante dielettrica di circa 7ε 0. Sono valori alti, ecco il motivo per cui può essere considerata come uno strato isolante tra due conduttori, ma non trattandosi di un isoante perfetto ad essa viene associata una resistenza Rm, detta di "perdita"

38 Se volessimo descrivere una membrana dal punto di vista elettrico, basta considerare che ogni tratto di membrana è equivalente ad un condensatore, la cui capacità C (circa 1 10 µf/cm^2) è quella del sistema liquido interstiziale - membrana - liquido intracellulare del tratto considerato, in parallelo alla resistenza Rm. L'effetto capacitivo del corpo umano può essere visto come una capacità C che risiede principalmente nella pelle, la quale è assimilabile ad un debole dielettrico, e che quindi funge da isolante tra un eventuale sensore e il tessuto sottostante saturo di elettroliti conduttivi. Ed è proprio la natura conduttiva delle dita che rende possibile il rilevamento tattile Caratteristiche dei Sensori Utilizzati La necessità per entrambi i progetti di disporre di una struttura minimalista, ha imposto l'uso di una tipologia di sensori che potesse essere nascosta all'occhio dell'utilizzatore. La scelta è ricaduta su sensori di tipo capacitivo, costituiti da una semplice placca metallica sensibile, un cavo coassiale e una resistenza, controllati interamente dalla piattaforma Arduino. Questi presentano una sensibilità e un raggio d'azione minore rispetto ai sensori ad ultrasuoni utilizzati in precedenti versioni di WiTube, ma hanno il vantaggio di essere praticamente a costo zero e, soprattutto, possono essere nascosti dietro superfici di materiale isolante come legno, plastica, carta, plexiglass, intonaco. Grazie a queste particolarità offrono un enorme vantaggio in fase di progettazione con la possibilità di nascondere fisicamente i sensori alla vista dell utente mantenendo comunque una sensibilità utile al superamento della superficie

39 Arduino Arduino è una piattaforma open-source flessibile ed il suo utilizzo è molto semplice, sia a livello hardware che software, è pensato per progettisti, designer, hobbisti, e usato per la creazione di oggetti o ambienti interattivi. Arduino può ricevere diversi input contemporaneamente da una varietà di sensori: touch, a pressione, resistivi, capacitivi, ad ultrasuoni e può controllare una moltitudine di dispositivi: luci di controllo, motori, attuatori. Il microcontrollore sulla scheda utilizza il linguaggio di programmazione Arduino (basato su Wiring) e l'ambiente di sviluppo Arduino (basato su Processing). Uno dei principali vantaggi dell Arduino è quello di poterlo utilizzare in 2 modalità: stand-alone, ovvero con la sola necessità di alimentazione, sensori e/o dispositivi di controllo; in comunicazione seriale con software in esecuzione su un computer (per esempio Java, Flash, Processing, MaxMSP), ampliando così le possibilità di utilizzo. La scheda utilizzata è una Arduino UNO (visibile in foto) con microcontrollore basato sulla ATmega

40 Dispone di 14 pin digitali di input / output (di cui 6 possono essere utilizzate come uscite PWM), 6 ingressi analogici, un oscillatore a cristallo 16 MHz, una connessione USB, un jack di alimentazione, un header ICSP, e un pulsante di reset. L alimentazione avviane direttamente da USB o tramite alimentatore esterno AC-DC Sensori Capacitivi I sensori tattili sono in circolazione da anni, recentemente sono stati compiuti molti progressi nel campo, che stanno rendendo le soluzioni basate sull effetto capacitivo un'ottima alternativa ai sensori meccanici in una grande varietà di prodotti di uso comune [7]. Normalmente, per una necessità estetica, i sensori vengono nascosti alla vista dell utilizzatore attraverso una superficie di copertura di 3-5mm. La difficoltà nella rilevazione della presenza di un interazione attraverso lo strato di copertura è direttamente proporzionale al suo spessore. Il fulcro di qualsiasi sistema di rilevamento capacitivo è composto da un insieme di conduttori che interagiscono con i campi elettrici. Nella sua forma più semplice un condensatore a superfici parallele, come descritto in precedenza, prevede due superfici conduttrici separati da un materiale dielettrico. In questo sistema la maggior parte dell energia viene concentrata tra le superfici. Una parte di energia però fuoriesce nell area esterna e crea delle linee di campo elettrico denominate fringing fields (campi dispersi). La difficoltà maggiore è quella di progettare il sensore capacitivo in modo tale che i campi dispersi vengano diretti all interno dell area di rilevamento tattile accessibile all utilizzatore. Può essere creata una pista per le linee di campo che si direzionano più facilmente attraverso materiale con coefficiente dielettrico alto, in questo modo è possibile direzionarle esattamente nella parte adibita all'interazione dell'utente. Posizionando un dito sulla zona sensibile si catturano i campi elettrici dispersi, questo ha come effetto quello di aggiungere una quantità capacitiva all intero sistema. La capacità introdotta dall'interazione dell'utilizzatore è nota col termine finger capacitance, C F. La

41 capacità del sensore in assenza di qualsiasi interazione è identificata dalla capacità parassita, C P. Un errore molto comune sui sensori capacitivi riguarda la convinzione che il sistema funzioni solamente se le dita dell'utilizzatore sono in qualche modo connesse a terra; in realtà non è necessario, in quanto il corpo umano viene rilevato grazie alla sua proprietà di essere un trasportatore di carica Composizione e Funzionamento A livello hardware un sensore capacitivo è costituito da una placca metallica, una resistenza e un cavo coassiale per ridurre le interferenze esterne. A livello software la libreria capsense permette a due pin (receivepin e sendpin) Arduino di calcolare la capacità elettrica del corpo umano rilevata dalla placca. Il funzionamento è molto semplice, il receivepin è collegato alla placca del sensore, questa può essere vista come una delle 2 armature presenti in un condensatore a facce parallele, l aria o un eventuale materiale isolante coprente è il dielettrico e il corpo umano è la seconda armatura. Successivamente viene mostrato come il sistema non fa altro che calcolare la capacità di questo condensatore. La rilevazione della capacità ha una risposta logaritmica, proporzionale alla distanza dell utente dal sensore

42 I sensori capacitivi possono essere utilizzati in qualsiasi situazione dove è richiesta la rilevazione del tocco umano, nel nostro caso in pulsanti di tipo touch e di presenza. Per il corretto funzionamento del sensore è necessario scegliere la resistenza connessa tra i 2 pin (foto) e la grandezza del sensore in modo da regolare la sensibilità, il valore della resistenza e la superficie del sensore sono direttamente proporzionali alla sensibilità. Per sensori di tipo touch la superficie della placca è nell ordine di 1-10cm^2 mentre per sensori di prossimità la superficie varia in un range di 20-30cm^2. Una scheda Arduino può comandare contemporaneamente fino a 12 sensori capacitivi e questi possono avvertire il tocco umano attraverso uno spessore massimo di 3-4cm di materiale isolante, basterà agire sulla resistenza per ampliare la sensibilità e permettere alle linee di campo del sensore di attraversare la superficie e chiudersi attraverso il corpo umano. Il metodo capsense permette al microcontroller del sendpin di passare ad un nuovo stato e quindi attende che il receivepin assuma lo stesso stato. Una variabile viene incrementata all'interno di un ciclo while nel momento in cui lo stato del receivepin cambia. Il metodo poi riporta il valore della variabile, espresso in un unità arbitraria. Il ritardo del cambiamento tra il sendpin e il receivepin è determinato da una costante di tempo, definito da R C, dove R è il valore della resistenza e C è la capacità rilevata nel receivepin, comprendente sia la capacità parassita che quella dell'interazione del corpo umano Librerie e Metodi La libreria contiene tre metodi principali e alcuni metodi opzionali: CapSense CapSense(byte sendpin, receivepin byte) CapSense crea un'istanza della libreria specificando il sendpin e il receivepin

43 long capsenseraw(byte samples) capsenseraw richiede un parametro samples e restituisce un intero long che contiene la capacità assoluta, in unità arbitrarie. Il parametro samples può essere utilizzato per aumentare la risoluzione restituita, a scapito della riduzione delle prestazioni. Il valore restituito è la somma della capacità rilevata e delle capacità parassite presenti. capsenseraw restituirà -2 se il valore di capacità supera il valore di CS_Timeout_Millis (in millisecondi). Il valore predefinito per CS_Timeout_Millis 2000 millisecondi (2 secondi). long capsense(byte samples) capsense richiede un parametro samples e restituisce una variabile long contenente la capacità rilevata (sensed) aggiunta dall interazione, in unità arbitrarie. capsense tiene traccia della capacità parassite (unsensed) e la sottrae dalla capacità percepita, così il valore utile restituito sarà basso nella condizione di unsensed (prossimo allo 0, utile per tarature più precise). La calibrazione viene tarata a intervalli determinati dal CS_Autocal_Millis. Il valore predefinito è millisecondi (20 secondi). Questo taratura può essere disattivata impostando CS_Autocal_Millis su un valore elevato con il metodo set_cs_autocal_millis(). public static void set_cs_timeout_millis (unsigned long timeout_millis); La funzione set_cs_timeout_millis può essere utilizzata per impostare il valore di CS_Timeout_Millis, che determina il tempo di timeout della rilevazione. Se il receivepin (sensed) non riesce a passare nello stesso stato del sendpin è necessario un timeout per evitare un ciclo loop. Il valore predefinito dei CS_Timeout_Millis è 2000 millisecondi (2 secondi). public static void reset_cs_autocal() reset_cs_autocal può essere utilizzato per imporre una calibrazione immediata della funzione capsense

44 public static void set_cs_autocal_millis (unsigned long autocal_millis) Il metodo set_cs_autocal_millis (unsigned long autocal_millis) può essere utilizzato per impostare l'intervallo di timeout della funzione capsense. La taratura può essere disattivata utilizzando set_cs_autocal_millis per impostare CS_AutocaL_Millis su "0xFFFFFFFF" Scelta Resistore Come detto in precedenza il valore della resistenza utilizzata implica una sensibilità maggiore del sensore, di seguito vengono descritti alcuni esempi a parità di dimensioni della placca e considerando come dielettrico la sola aria: Utilizzare una resistenza da 1 megaohm è indicato per sensori di tipo touch; Con una resistenza di 10 megaohm il sensore inizia a rispondere 4-6 centimetri di distanza. Con una resistenza da 40 megaohm il sensore inizia a rispondere centimetri di distanza (dimensioni della placca nell ordine di 10cm^2); Utilizzando resistenze maggiori il sensore diventa più lento nella rilevazione, dovuto all'aumento della costante, andrà effettuato un compromesso. Se si eccede con tali valori, anche se il sensore rilevasse qualcosa, è possibile che il sendpin non sarà mai in grado di forzare un cambiamento del receivepin (sensed), e il sensore andrà in timeout. Utilizzando dei piccoli condensatori (100 pf -.01 uf) collegati a terra sul receivepin si migliora la stabilità del sensore

45 Messa a Terra La messa a terra della scheda Arduino è molto importante nel rilevamento capacitivo. I sensori capacitivi assumono comportamenti diversi se la scheda Arduino è connessa ad un portatile senza che questo sia connesso alla rete elettrica, pertanto la messa a terra è vivamente consigliata per migliorare le prestazioni dei sensori. Un ulteriore miglioramento si ha ponendo un piano di massa sotto la placca del sensore (isolato da plastica, carta, ecc) e collegato a terra, in questo modo si stabilizzano i valori del sensore e si aumenta la sensibilità Messaggi di Errore I metodi capsense e capsenseraw restituiscono il valore -2 se avviene un timeout nella rilevazione. Questo è causato dal superamento del CS_Timeout_Millis, che è fissato a un valore predefinito di 2000 millisecondi (2 secondi). Questo comportamento è spesso causato da un resistore mancante o nel caso il resistore venga posizionato in un pin errato. Potrebbe anche essere causato da un sensore che è erroneamente collegato a terra o alla tensione di 5V. E' necessario un timeout perché il ciclo while che sincronizza i tempi nel metodo CapSense bloccherebbe lo sketch senza restituire mai alcun valore Sistema Illuminante L esigenza di utilizzare un feedback luminoso per entrambi i progetti ha imposto la scelta di una fonte luminosa con determinate caratteristiche; vediamo alcuni esempi degli apparati presi in considerazione, analizzando i pro e i contro per ogni soluzione

46 Fonti Luminose La particolare struttura degli apparati e il sistema di controllo utilizzato richiedono una fonte luminosa con determinate caratteristiche: Alimentazione dell apparato tramite 5-12V e con correnti massime sotto i 1000mA; Possibilità di effetti dinamici (variazione di colore RGB); Calore generato ridotto; Potenza luminosa elevata; Luce uniforme su tutta la struttura; Dimensioni ridotte; Durata elevata. Sono state prese in esame le principali fonti luminose presenti sul mercato, ognuna con caratteristiche diverse, che impongono, in alcuni casi, modifiche alla struttura interna per ottenere la diffusione luminosa desiderata. Lampadina alogena/incandescenza: Pro: costo minimo, dimensioni ridotte. Contro: corrente di alimentazione superiore ai 1000mA, consumo elevato, calore elevato, durata limitata, fragilità elevata, impossibilità di eseguire effetti dinamici, potenza luminosa ridotta. Questa soluzione è stata immediatamente scartata, principalmente per la corrente di alimentazione elevata che non permette un controllo della fonte e per l impossibilità di eseguire effetti dinamici. Neon DC: Pro: alimentazione 12V e corrente intorno a 1000mA, calore ridotto. Contro: costo elevato, fragilità elevata, impossibilità di eseguire effetti dinamici, dimensioni elevate. Questo tipo di apparato è differente dai normali Neon AC che troviamo normalmente nelle abitazioni; non richiedono un reattore per l'accensione e quindi non necessitano di correnti elevate per innescare la reazione. In questo modo l'accensione è immediata e la

47 luminosità è dipendente dalla corrente erogata, permettendo di controllarlo a piacimento. La sua struttura fragile e la particolarità del dispositivo di non poter generare effetti dinamici RGB hanno fatto nuovamente optare per altre soluzioni. LED: Pro: facilmente controllabili con grande varietà di effetti dinamici, resistenza elevata, durata elevata, calore ridotto, bassi consumi, alimentazione con tensioni di 12V e correnti di 1000mA, dimensioni ridotte. Contro: costo elevato. La scelta è ricaduta sui dispositivi LED, soprattutto per la facile implementazione nelle strutture e per la grande varietà di diodi presenti sul mercato. I vantaggi di questi dispositivi dal punto di vista illuminotecnico sono: durata di funzionamento (LED ad alta emissione arrivano a circa ore); assenza di costi di manutenzione; elevato rendimento (se paragonato a lampade ad incandescenza e alogene); luce pulita perché priva di componenti IR e UV; facilità di realizzazione di ottiche efficienti in plastica; flessibilità di installazione del punto luce; colori saturi; possibilità di un forte effetto spot (sorgente quasi puntiforme); funzionamento in sicurezza perché a bassissima tensione (normalmente tra i 3 e i 24 Vdc); accensione a freddo (fino a -40Â C) senza problemi; insensibilità a umidità e vibrazioni; assenza di mercurio; durata non influenzata dal numero di accensioni/spegnimenti;

48 LED - Trattazione Generale Il termine "LED" è un acronimo che significa "Light Emitting Diode", ovvero "diodo che emette luce". Il primo LED è stato sviluppato nel 1962 da Nick Holonyak Jr.. Il diodo è un componente fondamentale in elettronica, è un dispositivo passivo non lineare (la corrente è legata al voltaggio in modo logaritmico), a due poli (anodo e catodo), i quali permettono il passaggio di corrente in una direzione e la bloccano nell'altra. Il principio di funzionamento dei diodi luminosi sfrutta le proprietà ottiche di alcuni materiali semiconduttori per produrre fotoni a partire dalla ricombinazione di elettroni con lacune. Questo effetto è chiamato elettroluminescenza e il colore della luce (corrispondente alla energia del fotone), è determinata dal differente drogaggio di 2 regioni e quindi dal gap di energia del semiconduttore. La zona dove gli elettroni e le lacune vengono iniettati è detta zona di ricombinazione: questi provengono da regioni del diodo drogate con impurità di tipo diverso, cioè di tipo n per gli elettroni e p per le lacune. Quando viene applicata una tensione diretta si riduce la barriera di potenziale della giunzione, di conseguenza gli elettroni della banda di conduzione del semiconduttore si ricombinano con le lacune della banda di valenza, rilasciando energia sottoforma di fotoni. A causa dello spessore estremamente ridotto del chip, un numero elevato di questi fotoni abbandona la superficie e viene emesso sottoforma di luce ad una particolare lunghezza d'onda

49 La lunghezza d'onda della radiazione emessa è definita dalla distanza in energia tra i livelli energetici di elettroni e lacune, definita dalla scelta dei semiconduttori. Tale scelta influenza l'efficienza nella conversione elettro-ottica e quindi l'intensità luminosa in uscita. Variando tali materiali è possibile ricreare gran parte dello spettro della luce visibile e invisibile (infrarosso, ultravioletti). I materiali comunemente utilizzati sono formati da GaAs (arseniuro di gallio), GaAsP (fosfuro arseniuro di gallio), GaP (fosfuro di gallio), SiC (carburo di silicio) e GaInN (nitruro di gallio e indio). I LED più comuni emettono luce rossa, arancio, gialla o verde, ma recentemente utilizzando il GaN (nitruro di gallio) sono stati prodotti LED caratterizzati dall'emissione di luce blu chiara; questa scoperta risulta molto importante in quanto l'insieme delle radiazioni rossa, verde e blu permette di creare una sorgente a luce bianca. Tutti i LED sono "macchine reversibili", infatti se viene esposta la giunzione ad una fonte luminosa o ai raggi solari nei terminali compare una tensione, proporzionale all'intensità della radiazione e dipendente dal colore del LED in esame (massima per il blu). Questa caratteristica viene sfruttata per la realizzazione di sensori, per sistemi di puntamento (inseguitori solari) di impianti fotovoltaici a concentrazione e per molti altri utilizzi

50 I LED presentano molti vantaggi rispetto ad altre soluzioni: minor consumo energetico, maggiore durata, maggiore efficienza, maggiore luminosità, migliore robustezza, dimensioni ridotte e velocità elevatissime di commutazione nell'ordine anche di alcuni MHz. Principalmente, le versioni ad alta potenza, vengono impiegate nell'illuminazione di ambienti o spazi aperti, sono relativamente costosi e richiedono una gestione più attenta della dissipazione del calore generato, ma presentano vantaggi economici maggiori rispetto alle sorgenti luminose normalmente utilizzate. Recentemente sono utilizzati anche per l'illuminazione di schermi televisivi o megaschermi da stadio e concerti. LED con potenze nell'ordine di qualche frazione di watt, vengono utilizzati in applicazioni di indicazione stradale, semafori, insegne pubblicitarie, dispositivi portatili e circuiti elettronici. Particolari LED sono invece impiegati per la comunicazione: quelli ad infrarosso per comunicazioni wireless a distanza ravvicinata, presenti ormai in tutti i dispositivi con telecomando come TV, DVD Player, ed altri prodotti, mentre altre tipologie sono utilizzati come iniettori di segnali nelle reti a fibre ottiche. Dal punto di vista applicativo i LED sono molto utilizzati quando sono richieste le seguenti caratteristiche: miniaturizzazione; colori saturi; effetti dinamici (variazione di colore RGB); lunga durata e robustezza degli apparati; valorizzazione di forme e volumi dovuta alla sorgente puntiforme. Diversamente dalle comuni lampadine, il cui filamento funziona a temperature molto elevate, i LED emettono luce fredda; se si considera anche che la luce emessa è direttamente proporzionale alla corrente che li attraversa, i led risultano particolarmente adatti alla trasmissione di segnali tramite modulazione dell'intensità luminosa

51 Caratteristiche dei LED Utilizzati La disponibilità di una vasta gamma di dispositivi con caratteristiche diverse ha permesso di ottenere ottimi risultati per entrambi i progetti. Per il WiMirror sono stati scelti LED White SMD su PCB di 450mm, questo ha permesso un risparmio di spazio notevole dato che non necessitano di dissipatore. Inoltre è possibile alimentare i LED tramite un semplice circuito di potenza collegato alla piattaforma arduino in modo da poter effettuare gli effetti di fading richiesti. Specifiche: Angolo di visuale: 120 Larghezza: Lunghezza: Spessore: Colore emesso: 5mm 450mm 6.5mm Bianco Lumen typ.: 300 Lumen Max.: 400 Kelvin typ.: 6500 V typ.: Corrente: 12 V mA Consumo: W Il progetto non richiede l'utilizzo di LED RGB ma della sola illuminazione bianca. Per l'illuminazione del WiTube sono stati invece impiegati LED di tipo RGBW (Red - Green - Blu - White) ad alta potenza e luminosità, più precisamente il modello CREE MCE4CT-A2-A3K5A ( K), formato da 4 chip CREE MCE, visibili nelle seguenti figure

52 Specifiche: Diametro: 44.0mm Angolo visivo: 110 Colore emesso: red / green / blue / white Lumen min.: 804 lumen per tutti i chip Lumen max.: 1368 lumen per tutti i chip ma typ.: 350 ma per ogni chip ma max.: 700 ma per ogni chip V typ.: R:8.8/G:13.6/B:12.8/W:12.8 V V max.: R:10/G:15.6/B:15.6/W:15.6 V La scelta è ricaduta su questo particolare LED, in quanto permette di eseguire gli effetti dinamici richiesti dal sistema fornendo la possibilità di controllare in maniera indipendente i singoli colori. Utilizzando una lente direttiva di 46 è possibile convogliare il fascio di luce in modo da concentrarla sulle pareti interne della struttura e avere un'illuminazione uniforme su tutta la superficie. I LED ad alta potenza generano alcuni watt termici che devono essere dissipati regolarmente per preservarne la durata e l'affidabilità. Tramite pasta termoconduttiva all'argento (l'argento vanta una delle migliori conducibilità termiche, pari a 460 W m -1 K -1 ) è stato fissato il LED ad una piattaforma in alluminio per poter smaltire il calore in eccesso (conducibilità termica alluminio: 260 W m -1 K -1 )

53 Infine è stato necessario l'impiego di un particolare controller che potesse essere interfacciato con arduino e al tempo stesso fornisse la corrente di alimentazione richiesta dai LED. La scelta è stata obbligatoria in quanto la corrente necessaria al funzionamento dei LED è di gran lunga superiore a quella erogata dall'arduino Controller RGB e Circuiti di Potenza Il controller utilizzato è l' "High Power RGB LED Shield" prodotto dalla Neuroelec. Il grande vantaggio di questo dispositivo è la possibilità di sovrapporlo direttamente alla piattaforma arduino, in modo da sfruttare tutti gli input/output e poter comandare direttamente gli effetti dinamici sui diversi colori con una corrente di 700mA. Lo Shield fornisce tre canali indipendenti, ideali per LED RGB, può essere alimentato con tensioni da 6V a 42V e può erogare da 100mA a 700 ma di corrente. Supporta due metodi diversi di controllo: analogico per una migliore efficienza energetica e tramite pin PWM per una migliore gestione degli effetti dinamici RGB

54 Specifiche 3 canali 700mA LED driver; 3 canali I2C di controllo PWM (12bit) per effetti LED; Uscita corrente regolabile dinamicamente; Ingresso 42V, uscita 36V. Possibilità di comandare LED fino a 40W; 5V controllo di potenza (fino a 42V in ingresso); molti shield possono essere impilati e usare solo due pin I2C (A4, A5) da Arduino; Sensore di temperatura opzionale per il controllo della temperatura del LED e del PCB. I LED SMD e il canale White dei LED RGBW sono stati alimentati attraverso un circuito separato, definito Amplificatore di Corrente, questo perché non necessitavano di correnti elevate e gli effetti richiesti consistevano nel solo fading o nell'alternarsi degli stati di ON e OFF. Questo può essere realizzato in due modi, entrambi molto semplici: nel primo caso è possibile comandare attraverso i pin PWM arduino, fino a 3 serie di LED da 12V con una corrente massima di 350mA per ogni canale. Lo schema è composto da un circuito integrato ULN2003 avente i pin connessi come in figura, sia con i rispettivi pin arduino che con il catodo dei LED. Ovviamente tutto il circuito deve poi essere connesso a terra. Un secondo circuito può essere realizzato attraverso una resistenza e un Transistor NPN, il quale può funzionare in 2 modi distinti: come interruttore o come amplificatore di corrente. VCC rappresenta uno dei pin di controllo analogico di arduino, posto proprio alla tensione di 5V, in questo modo quando è presente una corrente abbastanza elevata sulla base del transistor, questo si comporta come un interruttore chiuso tra il collettore e l'emettitore, facendo passare la corrente e permettendo l'accensione dei LED

55 Riflessione / Rifrazione I concetti descritti in questo paragrafo saranno sfruttati per la progettazione del WiMirror e verranno esaminate le capacità di alcuni materiali di poter riflettere e rifrangere la luce in base a determinate condizioni ambientali. La riflessione in fisica è un fenomeno che viene osservato quando un'onda (acustica o luminosa), che si propaga attraverso un mezzo, cambia direzione a causa di un impatto con un materiale riflettente. Può essere di 2 tipi: speculare, ovvero il raggio riflesso e il raggio incidente hanno lo stesso angolo rispetto alla normale alla superficie ma sono l'una speculare all'altra; oppure non speculare (diffusa), in questo caso l'onda riflessa si propaga in molte direzioni casuali

56 Viene definito inoltre il rapporto tra flusso riflesso e flusso incidente, valutato per ogni lunghezza d'onda, attraverso la riflettanza. Essendo un rapporto di grandezze omogenee, la riflettanza è una grandezza adimensionale e viene espressa con valori compresi tra 0 e 1 o in maniera analoga con una percentuale. La riflettanza tiene conto, oltre alla lunghezza d'onda, anche dell'illuminazione, della geometria di irradiamento (la geometria con cui si illumina il corpo) e della geometria di visione (la geometria con cui si misura il flusso riflesso). E' quindi necessario definire una grandezza più generale della riflettanza, cioè il fattore di riflessione. Il fattore di riflessione è molto importante, perché permette di considerare la percentuale di flusso riflesso da un determinato materiale considerando le caratteristiche del flusso incidente. Un altro fenomeno importante è la rifrazione, ovvero la possibilità che un'onda (sonora o luminosa) subisca una deviazione quando questa passa da un mezzo ad un altro, cambiando la sua velocità di propagazione. In ottica, questo fenomeno avviene quando un'onda luminosa passa attraverso due mezzi con indice di rifrazione diverso. Nel momento che l'onda arriva sul bordo tra i due mezzi, la velocità di fase viene modificata, cambia direzione e varia la lunghezza d'onda mentre la frequenza rimane la stessa. Un esempio comune sono i raggi di luce che si rifrangono su uno specchio d'acqua; questo concetto ha permesso l'invenzione delle lenti e del telescopio a rifrazione. Un oggetto diritto, parzialmente immerso e inclinato, apparirà ad un osservatore, piegato verso la superficie dell'acqua o verso il basso. Questo fenomeno accade perché l'aria ha

57 un indice di rifrazione pari a circa, mentre l'acqua a L'estremità dell'oggetto si comporta come sorgente secondaria di radiazione luminosa ed emette raggi di luce in tutto lo spazio circostante. Tali raggi, arrivati in prossimità della superficie di discontinuità tra acqua e aria si piegano, allontanandosi dalla normale alla superficie. I raggi rifratti vengono percepiti dall'osservatore e il loro prolungamento determina un punto virtuale, dal quale l'occhio umano ha la sensazione che provenga l'immagine. In altre parole, l'occhio dell'osservatore, riesce a percepire solo l'immagine virtuale dell'oggetto e non vede l'estremità dello stesso. Questi due fenomeni sono alla base del funzionamento del WiMirror, o meglio, della pellicola utilizzata per la sua fabbricazione. La pellicola (modello Reflectiv MIR500), applicata ad un piano di plexiglass, riflette la luce e, in base a determinate condizioni, ne permette il passaggio in modo unilaterale. In questo modo è possibile avere una riflessione della luce con un fattore di riflessione pari a 84%, ed un indice di rifrazione di 70%. Se viene applicata una fonte luminosa nella parte anteriore (parte riflettente) si avrà un effetto specchio, nascondendo totalmente qualsiasi cosa è posta nella parte posteriore. Se invece la fonte luminosa viene spostata nella parte posteriore, i raggi luminosi riusciranno a penetrare fino ad attraversare quasi completamente tutta la struttura. Il principio di funzionamento si basa sul bilanciamento della luce; in risposta ad una luce più intensa la pellicola si comporta come uno schermo riflettente. Se però vengono disposti dei LED o un display nella parte posteriore, saranno visibili da accesi per via della luce emanata e, completamente invisibili da spenti

58 SmartControl Lo SmartControl è un sistema software di controllo e gestione di contenuti multimediali sviluppato in java dall'azienda Liquidweb. Le funzioni di cui si compone sono adibite a servizi "invisibili" all'utente, che apparentemente non creano alcun riscontro, ma che in realtà provvedono al corretto funzionamento del sistema. Ad esempio alla comunicazione tra i diversi apparati (SmartServer) o all'interfacciamento con i contenuti presenti sul web e alla gestione dei controlli remoti online (SmartInterface). L'applicazione principale è lo SmartPlayer, un player multimediale in grado di eseguire principalmente le seguenti funzionalità: scarica/gestisce i podcast dalla rete; crea le playlist suddivise per canale che il WiTube riproduce; gestisce i comandi play/next/previous/stop/volume relativi alla riproduzione audio; legge da seriale (USB) i dati di input inviati da Arduino; scrive su seriale (USB) i dati di ritorno per Arduino. Altre applicazioni possono essere sviluppate e integrate nel sistema, per permettere la comunicazione con altri dispositivi attraverso reti wireless (WiFi, Zigbee), ad esempio nella domotica. Alcuni esempi delle applicazioni realizzabili saranno descritti nei successivi paragrafi WiTube Il progetto WiTube, facente parte della categoria degli Ambient Electronic Devices, permette l'accesso a contenuti e applicazioni web senza la necessità di un computer. La sua struttura esterna risulta minimalista e intuitiva (composta perlopiù da un tubo in plexiglass di 2 metri di altezza, 30 centimetri di diametro e 4mm di spessore), in modo da rendere l'esperienza semplice, istantanea e accessibile a chiunque

59 Grazie alla grande versatilità del dispositivo è possibile utilizzarlo in ambienti di ogni genere, dalle abitazioni, agli uffici, ai luoghi pubblici, inclusi gli spazi urbani come piazze o giardini. L'utilizzo di tale dispositivo permette di avere una maggiore interazione con il mondo che ci circonda, risultando particolarmente utile per la promozione di prodotti/servizi o per la comunicazione di informazioni. Il WiTube si adatta perfettamente ad innumerevoli situazioni come sale d'attesa, negozi, musei, aeroporti, stazioni, luoghi dove sono necessari postazioni informative o di comunicazione con il cliente. L'utente può interagire semplicemente con la propria presenza all'interno del raggio di rilevazione del dispositivo o, tramite l'interfaccia. Tutto avviene attraverso interazioni touchless rilevate da sensori capacitivi nascosti dietro la superficie, attivando così le applicazioni predisposte dal proprietario. E' inoltre possibile interagire tramite dispositivi portatili (smartphone, tablet, netbook) in modo da utilizzarli come uscita video, utilizzando il WiTube come un hub di risorse, capace di condividere, sia contenuti visivi, sia una connessione wireless per l'accesso a internet. Attraverso il web è possibile accedere alle applicazioni, navigare tra i contenuti, effettuare il download o l'upload di file multimediali, visualizzare informazioni sul meteo, sugli orari dei mezzi pubblici, scaricare la guida interattiva della città visitata, accedere a podcast, e molto altro ancora. All'interno di un museo, ad esempio, è possibile mandare in esecuzione file audio che descrivano le opere presenti nella stanza al solo passaggio dell'utente, ricevere sul proprio smartphone un video illustrativo, eseguire dei messaggi promozionali all'interno di un negozio, segnalare eventuali ritardi di mezzi di trasporto alle persone in attesa in modo automatico; è in grado quindi di adattarsi alle diverse situazioni. I contenuti utilizzati sono disponibili online e possono essere facilmente configurati e adattati dal proprietario tramite connessione remota in base al contesto in cui è applicato il WiTube. Successivamente verranno descritti più in dettaglio gli stati di funzionamento e i metodi di comunicazione tra le diverse tecnologie presenti

60 Versioni Precedenti Analizzando le versioni precedenti del WiTube è stato possibile studiare i punti deboli presenti nel sistema, dovute principalmente a delle tipologie di sensori poco intuitivi per l'utente. Questo ha reso necessario riprogettare anche l'apparato illuminante. Di seguito verranno esaminati tutti gli aspetti che hanno caratterizzato lo sviluppo del progetto fino ad arrivare alla versione attuale. In una delle versioni sviluppate in passato sono stati utilizzati dei Sensori ad "Ultrasuoni", per via della loro grande precisione e dell elevato raggio di funzionamento, dell ordine di 3-5 metri. Di contro presentavano un costo elevato e una bassa intuitività di funzionamento da parte dell utente. L'utilizzatore non riusciva a comprendere il funzionamento di tali sensori, scambiandoli continuamente per switch meccanici. Inoltre la loro applicazione causava un impatto visivo poco soddisfacente, allontanando l'idea iniziale di rendere il dispositivo completamente minimalista (come è possibile vedere nelle successive immagini). Questo sistema presenta alcuni limiti; come ogni altro tipo di fenomeno ondulatorio gli ultrasuoni sono soggetti a fenomeni di riflessione, rifrazione e diffrazione, per questo motivo influenzabili da parametri esterni dal sistema. L'impulso può essere infatti riflesso, addirittura da una corrente d'aria. Una riflessione può avvenire all'interno di una

61 stanza, ad esempio da una parete o una finestra, il che rende necessaria una taratura estremamente precisa. In una versione successiva sono stati utilizzati invece dei sensori di tipo "touch resistivi" posti direttamente sulla struttura esterna. Questa tecnologia richiede il tocco fisico del sensore, in quanto si basa sulla misura della deformazione effettuata sull'elemento sensore (una membrana, una lamina, un filo), causando quindi una variazione della resistività elettrica, che verrà successivamente rilevata dalla piattaforma arduino. Purtroppo questa tipologia di sensori presenta molti difetti. Il problema principale è la stabilità della struttura sensoriale; i sensori, dovendo dipendere dalla deformazione della superficie, necessitano di uno spazio "vuoto" dove poter essere alloggiati, senza alcun sostegno rigido. Se l'utente effettua una pressione superiore a quella richiesta, rischia di danneggiare seriamente la struttura. Inoltre l'applicazione risulta difficoltosa, soprattutto considerando che il cilindro esterno è separato dalla struttura interna. In questa versione, infine, non sono presenti sensori di prossimità e l'attivazione è possibile con la pressione di uno dei sensori touch

62 Il WiTube fornisce continuamente feedback luminosi per segnalare lo stato in cui si trova. In fase di Stand-By vengono effettuate delle pulsazioni lente per segnalare la sua presenza nell'ambiente circostante, attirare l'utente ed invogliarlo ad interagire. Se questo si avvicina, le pulsazioni accelerano fino ad arrivare in prossimità. Il sistema entra nello stato di ON, la pulsazione termina ed il feedback luminoso rimane fisso su di un colore indicando l'introduzione al canale predefinito, dopodiché inizia l'esecuzione dell'applicazione corrispondente. Durante il cambio di canale, vengono effettuate delle variazioni di colore per contraddistinguere i diversi canali e rendere l'informazione percepibile anche visivamente. Purtroppo questa tipologia di LED crea un'illuminazione solo parziale della struttura, lasciando intravedere ombre e con una potenza luminosa in alcuni casi troppo bassa per poter essere utilizzata alla luce del sole o in ambienti troppo luminosi. Inoltre il consumo di tali LED risulta molto elevato e con l'obbligo di creare circuiti di potenza ad hoc per poterlo interfacciare con la scheda arduino e per poter controllare i singoli colori

63 Ambiti di Utilizzo WiTube ben si adatta ad un numero elevato di situazioni; la possibilità di personalizzarlo a piacimento rende questo dispositivo estremamente versatile. Il proprietario può accedere alla configurazione attraverso una pagina web dalla quale è invitato a scegliere la collocazione desiderata. Successivamente è possibile passare al controllo dei contenuti, inserendo i canali prescelti e le applicazioni da eseguire

64 Inoltre è possibile attivare eventuali sensori necessari al funzionamento in quel particolare ambito, come ad esempio la visualizzazione della temperatura interna, capace di impostare in maniera automatica il condizionamento dell'ambiente in cui è collocato. Alcuni esempi di ambienti di utilizzo sono descritti di seguito: In casa avrebbe un ruolo fondamentale: potrebbe risultare, oltre ad un semplice punto illuminante, un dispositivo adatto all'intrattenimento. Le sue funzioni si possono adattare alla riproduzione di file multimediali, webradio, news, previsioni meteo della propria città, o addirittura, attraverso un collegamento al sistema domotico tramite rete WiFi o eventualmente Zigbee, fungere da postazione di controllo della casa. Sarebbe possibile la trasformazione dei "canali" in "funzioni", ad esempio: apertura/chiusura tapparelle, innalzamento/abbassamento dei riscaldamenti o dell'illuminazione, attivazione/disattivazione di allarmi, e molto altro ancora. La vera innovazione sta nel fatto di non necessitare di un "libretto di istruzioni", cosicché l'utente capisca subito le diverse funzioni man mano che avviene l'interazione, il tutto con dei semplici gesti. Tutto questo può inoltre essere controllato tramite dispositivi mobile in

65 remoto e attraverso un pc è possibile tenere sotto controllo tutte le funzioni e i dati scambiati tra i sistemi. In ufficio potrebbe fungere da sistema di comunicazione voip (attraverso l'installazione di un microfono all'apparato), da postazione per le diverse news in ambito lavorativo, da punto di controllo dei titoli azionari. In quest'ultimo caso verrebbe utilizzato un sistema di visualizzazione simile all'"ambient Orb", basato sulle variazioni di colore in base all'andamento positivo o negativo delle stesse. Permetterebbe di gestire il riscaldamento e l'illuminazione, fungerebbe da postazione informativa in una sala d'attesa per la descrizione dei prodotti e dei servizi forniti dall'azienda. Anche in questo caso si possono adattare le applicazioni e i contenuti all'ambiente in cui risiede il WiTube

66 In uno spazio pubblico, ad esempio un aeroporto o una stazione di mezzi pubblici è possibile informare i viaggiatori di eventuali ritardi o cancellazioni delle corse tramite messaggi multilingua. All'interno di un albergo, è possibile informare il cliente sulla disponibilità di camere e dei servizi interni, in un negozio per le promozioni di nuovi prodotti o, come già accennato, in un museo per descrivere le opere presenti all'interno di una determinata stanza. E' inoltre possibile rendere l'esperienza ludica, utile per l'intrattenimento di bambini in determinati eventi o ambienti come giardini pubblici (attraverso l'applicazione di un'altra coppia di sensori ad un'altezza minore). Può essere utilizzata per fini turistici, consigliando ai viaggiatori i migliori percorsi da seguire, permettendo di scaricare mappe e file audio come guida multimediale della città, tutto sul proprio dispositivo. Le applicazioni sono infinite e molte sono ancora da scoprire. Nell'era delle smart cities, un oggetto simile riuscirebbe a coniugare i servizi utili al cittadino, con il divertimento e la facilità di interazione, rendendo l'esperienza piacevole e immediata

67 Modifiche Introdotte La versione del WiTube sviluppata ha una struttura cilindrica traslucida di colore bianco e presenta 3 sensori nascosti al suo interno: 2 sono touch-sensitive (sensori touch) e un proximity-sensitive (sensore di prossimità), sull'estremità superiore è presente inoltre il diffusore audio. Il sistema si divide principalmente in 3 parti: la base contenente l'elettronica, il sistema illuminante ed il sistema sensoriale. La base, contenente il cuore del sistema, comprende board, la quale comanda la parte multimediale eseguendo tutte le applicazioni descritte in precedenza (SmartPlayer, SmartControl, ecc). Consente inoltre all'apparato di connettersi alla rete WiFi per avere accesso ad eventuali contenuti conservati in cloud o per l'interfacciamento attraverso applicazioni web-based. Il sistema operativo installato è Ubuntu 10.04, insieme al Java

68 Development Kit per le applicazioni multimediali, mentre e il controllo remoto avviene attraverso rete WiFi o cavo Ethernet. Il sistema si avvia automaticamente alla connessione con la rete elettrica, come anche l'esecuzione dell'applicazione multimediale all'avvio del sistema operativo. Tale scheda è connessa tramite una porta seriale (USB) alla piattaforma arduino, che come già detto, si occupa della parte sensoriale e dell'illuminazione. Nella foto è possibile intravedere la scheda arduino con la relativa connessione dei 3 cavi coassiali e della scheda di alimentazione dei LED RGB

69 Tutta l'elettronica è posta nella parte inferiore della struttura, in modo da non creare disturbo all'interazione; nella nuova versione verranno adottate soluzioni più compatte in modo da potersi posizionare in uno spazio simile a quello occupato dalla scheda arduino. La struttura presenta una base di appoggio di metallo, sulla quale risiede anche l'alimentazione di tutto l'apparato. Il sistema di illuminazione, posizionato in prossimità dell'elettronica, è composto da un disco di alluminio dove sono stati applicati i LED RGBW, descritti precedentemente, attraverso pasta termoconduttiva all'argento per il corretto smaltimento del calore in eccesso

70 E' stato effettuato un collegamento a massa del disco, in modo che questo fungesse da schermo contro eventuali disturbi causati dall'elettronica, oltre che da dissipatore del calore generato e da supporto fisico per il tubo in plexiglass. I LED, proiettando la luce verso l'alto, creano una diffusione per tutta la struttura fino a svanire all'estremità superiore. La potenza totale è di circa 1400 lumen, ottenuta attraverso l'accensione simultanea alla massima potenza di tutti i chip. Il sistema sensoriale è composto principalmente da piastre metalliche; nel caso di questo prototipo è stato scelto il rame per disporre di una maggiore sensibilità. Sarebbero state rilevate maggiori prestazioni con l'utilizzo di un materiale con maggiore conducibilità elettrica come l'argento, ma ovviamente la spesa del sistema sarebbe cresciuta eccessivamente. Le piastre sono connesse attraverso cavi coassiali alla scheda arduino e sorretti da determinati supporti. L'utilizzo di cavi coassiali riduce in modo considerevole l'effetto di eventuali interferenze. E' stata inoltre utilizzata una grafica in modo da camuffare eventuali ombre presenti all'esterno della struttura e allo stesso tempo che informassero l'utente delle interazioni possibili. E' stato quindi necessario l'utilizzo di un supporto che fungesse da sostegno per posizionare la struttura nel punto esatto di rilevazione. Per non creare ulteriori ombre è stato utilizzato un tubo in plexiglass del diametro interno di 1 centimetro che potesse alloggiare i suddetti cavi, e delle sezioni dello stesso materiale, che facessero aderire le piastre alla superficie interna del cilindro

71 Il supporto è stato alloggiato nella parte posteriore della struttura interna del WiTube, in modo tale che l'utente non sia in grado di rilevarne la presenza e allo stesso tempo la luce non venga ostacolata. Grazie alla compattezza del sistema è stato possibile posizionare i sensori touch ad un'altezza di circa 1,5 metri dal terreno ed il sensore di prossimità a circa 1 metro. La loro progettazione ha richiesto il rispetto di determinati parametri di sensibilità, reattività e dimensioni, descritti successivamente. Prendendo in esame i sensori touch-sensitive, qualsiasi progetto prevede l'utilizzo di uno schema che includa, oltre alla piastra sensibile, anche un piano di massa (visibile in figura). La superficie del sensore è isolata dal piano di massa da un gap uniforme. Se si modella il gap in maniera equilibrata, si possono controllare le linee di campo in modo da direzionarle nella giusta quantità verso l'area sensibile. Se il gap è troppo piccolo, verranno inviate verso massa una quantità elevata di linee di campo. Se invece è troppo grande, non è più presente un controllo sul flusso di energia attraverso la superficie di copertura. In molte situazioni le dimensioni scelte per il gap sono nell'ordine di 0.5mm e sono adeguate per dirigere i campi dispersi attraverso superfici di 10mm. Nel nostro caso il piano di massa implicherebbe un'area troppo ampia, il progetto richiede infatti una superficie minima della placca, in modo da rendere i sensori invisibili all'utente una volta ricoperta la zona sensibile con una grafica adeguata. Inoltre è necessaria una sensibilità che faccia uscire le linee di campo di almeno 1 centimetro oltre la superficie esterna della struttura. Una tecnica per poter dirigere le linee di campo nell'area desiderata è quella di porre sulla superficie del sensore un materiale con coefficiente dielettrico maggiore rispetto al materiale presente nella parte posteriore della placca