Majo IoT: monitoraggio di campi elettromagnetici e di grandezze ambientali

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1 Majo IoT: monitoraggio di campi elettromagnetici e di grandezze ambientali STUDENTI : Federico Coppola, Andrea Rodella, Giovanni Sinigaglia (Dipartimento di informatica e telecomunicazioni) DOCENTI COORDINATORI: Prof. Ferdinando Sanpietro, Prof. Vito Rosiello TEMATICHE: Misure e IoT in ambito industriale Abstract Il sistema di misura Majo IoT (Internet Of Things) realizzato permette di misurare sia l inquinamento elettromagnetico, legato ai sistemi wireless Wi-Fi, sia i parametri ambientali di un ambiente e di visualizzarli in tempo reale su un sito Web di Internet La misura delle grandezze fisiche legate all inquinamento elettromagnetico wireless, come il campo elettrico e il campo magnetico, coinvolgono notevoli costi, il più delle volte, ben difficilmente sostenibili da un istituto scolastico. L idea alla base del sistema Majo IoT è quella di poter stimare l inquinamento elettromagnetico Wi-Fi usando strumenti con il costo minore possibile, ma allo stesso tempo poter fornire utili indicazioni con una incertezza di misura limitata. A tal fine si è scelto di fondare il sistema di misura su dispositivi open source Arduino e sulle loro schede di rete Wi-Fi. Sempre ai fine di limitare i costi, si sono scelti dei sensori di parametri ambientali, come temperatura, umidità e luminosità, che fossero un buon compromesso tra costi e prestazioni di misura ed, in particolare, la loro incertezza. La figura che segue presenta un esempio di un prototipo di sistema Majo IoT in azione posizionato nelle vicinanze di un access point Wi-Fi di cui era necessario monitorare il suo impatto sull inquinamento elettromagnetico dell ambiente. 1

2 FIGURA 1 IL PRIMO PROTOTIPO DI SISTEMA DI MISURA E MAJO IOT IN AZIONE Un sistema Majo IoT può essere clonato in modo da realizzare molti sistemi di misura per poter monitorare in tempo reale più punti dello stesso luogo, più luoghi differenti dello stesso edificio oppure punti diversi di edifici differenti. Infine sono in fase di sviluppo nuove funzionalità per Majo IoT sui fronti sia software sia hardware. Per lo sviluppo software, si sta studiando un nuovo sistema di messaggistica come Telegram, basato sulla tecnologia dei bot, al fine di aggiungere funzionalità applicabili alla domotica. L hardware verrà ulteriormente migliorato grazie allo sviluppo di un nuovo contenitore (case) per il sistema realizzato con le nuove tecnologie della modellazione e stampa 3D. Progetto del sistema Majo IoT Ogni sistema di misura Majo IoT è formato da una stazione in grado di misurare i parametri della potenza Wi-Fi del luogo e alcuni parametri ambientali. I principali parametri elettromagnetici misurati sono: il campo elettrico, il campo magnetico e la potenza totale del campo elettromagnetico incidente sulla scheda. Tra i parametri ambientali abbiamo scelto di misurare i principali come: la temperatura, l umidità ambientale e la luminosità dell ambiente. L hardware del sistema di misura è fondato su Arduino, mentre il firmware è stato scritto con il linguaggio C dello stesso Arduino. Il sistema di misura deve soltanto poter accedere alla rete Wi-Fi del luogo di misura dopodiché è completamente autonomo ed automatico. Una volta posizionato il sistema, Majo IoT inizia subito a misurare e quindi a trasmettere tutte le misure elettromagnetiche e ambientali via Internet usando la connessione alla rete Wi-Fi configurata. Le misure trasmesse via Internet sono memorizzate in un server di database del nostro Istituto è quindi a disposizione per il loro accesso remoto. Il database con le misure può essere quindi interrogato da qualsiasi computer client di Internet, che in tempo reale può visualizzare le misure trasmesse. Ci siamo anche occupati dello sviluppo di tutto il software del sito Web sempre del nostro Istituto, che permette di visualizzare in grafici e/o in modo tabellare le misure memorizzate nel server di database. La figura che segue presenta un esempio di visualizzazione dei dati del monitoraggio sempre disponibile all URL 2

3 FIGURA 2 UN ESEMPIO DI MONITORAGGIO IN TEMPO REALE Progettazione 3D del case di Majo IoT Grazie alle tecnologie di modellazione 3D e alla stampa 3D, è stata possibile la realizzazione di un prototipo di contenitore per Majo IoT ispirandoci ai numerosi modelli disponibili nella community di Arduino. Realizzato in ABS tramite stampa a deposizione fusa, il contenitore ha lo scopo di proteggere i componenti interni del dispositivo per garantire il corretto funzionamento in ogni condizione, garantendo la corretta misurazione dei dati senza sfalsare i valori misurati. FIGURA 3 PROGETTO DEL CASE DI MAJO IOT CON LE TECNOLOGIE DI MODELLAZIONE 3D E DELLA STAMPA 3D Il sistema di misura La misurazione dei campi elettrici e magnetici irradiati presenti in un determinato spazio è fondata sui concetti alla base della teoria della propagazione di onde elettromagnetiche. Data la grande diffusione di sistemi Wi-Fi, gran parte delle misurazioni si è focalizzata nella gamma di frequenze tra 2,4 GHz e 2,5 GHz. Arduino fornisce una indicazione della potenza disponibile ricevuta dalla scheda Wi-Fi integrata sulla scheda stessa. Partendo dalla potenza disponibile sul 3

4 ricevitore in dbm e ipotizzando un diagramma di irradiazione dell antenna del ricevitore di Arduino, si può ottenere la densità di potenza incidente del campo elettromagnetico e quindi il valore dell intensità del campo elettrico in volt al metro e la misura del campo magnetico in ampere al metro. Per verificare le misure di potenza del campo elettromagnetico, si è utilizzata un misuratore di potenza elettronico e uno strumento (costoso) di misura di campi EM a disposizione dell Istituto. Majo IoT in azione Tutti i dati elettromagnetici e ambientali misurati sono trasmessi in tempo reale a un server di database dell Istituto che le rende disponibili per la loro consultazione in forma tabellare oppure in forma grafica in periodi lunghi oppure brevi scelti dall utente del sito Web. Una opportuna sezione del sito permette di confrontare le misure in periodi diversi e scelti dagli utenti. FIGURA 4 UN ESEMPIO DI MONITORAGGIO IN UN INTERO MESE Telegram per l accesso ai dati e domotica La modalità di accesso mostrata precedentemente consente certamente di avere una visione della situazione ambientale e dei campi elettromagnetici prodotti dal Wi-Fi. Tuttavia in alcuni casi, soprattutto se si è in mobilità, può risultare difficile visualizzare gli ultimi dati ambientali sia per condizioni di bassa velocità, per quanto riguarda la connettività, sia a causa dell eventuale scomodità della visualizzazione dei grafici su uno schermo di piccole dimensioni come quello di uno smartphone. La soluzione proposta è quella di utilizzare un sistema di messaggistica multipiattaforma e open-source come Telegram, sfruttando la tecnologia dei bot. Essa consente all utente di interagire con il sistema attraverso una semplice chat utilizzando dei comandi predefiniti, tramite i quali si otterrà in risposta la temperatura, l umidità, la quantità di luce e la potenza del wireless. Questa tecnologia offre la possibilità di ampliare le funzionalità del sistema IoT integrando e aggiungendo funzionalità applicabili alla domotica, come l accessione di luci da remoto, rappresentato in questo prototipo da un semplice e comune diodo LED. 4

5 Conclusioni La diffusione delle tecnologie SW/HW per la comunicazione di dati via Internet ha aperto ampi orizzonti di ricerca al fine dello sviluppo di sistemi di misura real-time in grado di effettuare monitoraggi dei fenomeni naturali o artificiali più disparati. IL sistema Majo IoT si propone come prototipo di esempio di questo tipo di sistema di misura. Gli autori pensano a questo progetto come un punto di partenza di ricerca per lo studio di tecniche hardware e software sia innovative sia già consolidate. Lo dimostra la seguente riflessione. Questo progetto nasce circa due anni fa, eppure in questo periodo ha già subito molte trasformazioni sia nell hardware utilizzato sia nel software, che ci hanno permesso di studiare e approfondire le tecnologie attuali e quelle che verranno in futuro. 5