I PRINCIPI DELL’INTERNET OF THINGS

Dopo oltre quaranta anni dall’avvento di Internet, caratterizzato da molteplici applicazioni e protocolli implementati su di una rete di computer opportunamente interconnessi, ci si è addentrati nel mare magnum delle tecniche finalizzate alla comunicazione ubiqua, coinvolgente e bidirezionale tra utente ed ecosistema tecnologico. Tale trend è recentemente culminato con la progressiva integrazione tra persone e dispositivi, oltre che con l’inarrestabile convergenza tra mondo fisico e virtuale, dando vita al paradigma IoT (Internet of Things). Esso è definito come “una rete mondiale di oggetti interconnessi univocamente indirizzabili, basata su protocolli di comunicazione standard” [1]. Sebbene l’acronimo IoT lasci intendere che un qualunque oggetto Internet-oriented rientri nel novero delle “things”, tale categoria racchiude meramente entità fisiche dotate di intelligenza locale e connettività ad Internet e, in senso più astratto, ingloba oggetti che siano context-aware e in grado di comunicare con entità circostanti. Tali prerogative concorrono a rendere gli oggetti smart, capaci di raccogliere, elaborare e scambiare dati, al fine di raggiungere un obiettivo comune mediante mutue interazioni con il mondo circostante. È proprio l’attributo “smart” a demarcare chiaramente gli ambiti dell’IoT e delle Sensor Networks (SNs). Più in dettaglio, una rete di oggetti “smart” è un’infrastruttura di comunicazione caratterizzata dalle seguenti funzionalità:

Utilizzo di protocolli di comunicazione standardizzati, al fine di garantire un’interfaccia con il mondo esterno (tramite tag e sensori).
“Object addressability” (tramite assegnazione di indirizzi IP) e “multifunctionality”, che consiste nell’utilizzare in molteplici scenari una rete che è stata invece progettata per una specifica applicazione [2].

Il Cloud computing, paradigma che consente di fornire, come servizio e in modalità on-demand, l’infrastruttura di elaborazione, server, storage e rete, è adoperato al fine di analizzare i dati generati dagli oggetti IoT. Un aspetto fondamentale dell’IoT è proprio l’integrazione con un’infrastruttura Cloud, capace di ospitare interfacce e applicazioni web-based che consentono la comunicazione con sensori e, più in generale, con dispositivi esterni.

Dalla prospettiva del networking, l’IoT può essere visto come agglomerato di reti differenti, quali: reti mobili (3G, 4G, CDMA), WLAN, WSN e MANET [3]. Come precedentemente menzionato, la connettività riveste un ruolo precipuo nell’ambito dell’Internet of Things, analogamente alle sue caratteristiche di velocità, affidabilità e “durability”. Con la diffusione di reti mobili a velocità sempre maggiore (5G), e la presenza di protocolli di comunicazione eterogeni quali Wi-Fi, Bluetooth, e WiMAX, l’obiettivo di creare una rete di oggetti tra loro interconnessi risulta sempre più complesso da perseguire. I protocolli di comunicazione e gli standard principalmente adottati in ambito IoT sono elencati di seguito: RFID, IEEE 802.11 (WLAN), IEEE 802.15.4 (ZigBee), Near Field Communication (NFC), IEEE 802.15.1 (Bluetooth), Low-power Wireless Personal Area Networks (6LoWPAN), protocolli M2M (MQTT, CoAP), tecnologie a livello IP (IPv4, IPv6).

I protocolli adottati in ambito IoT possono essere classificati in tre categorie:

Protocolli general-purpose (es. IP e SNMP), utilizzati preminentemente per gestire, monitorare e configurare i dispositivi di rete, oltre che per stabilire canali di comunicazione.
Protocolli “lightweight” (es. MQTT, CoAP), progettati segnatamente per la gestione dei dispositivi con risorse (memoria, calcolo, batteria) limitate.
Protocolli proprietari, validi per specifici dispositivi o vendor.

In fase di progettazione, la selezione dei protocolli più consoni può essere alquanto complessa, pertanto è opportuno tener conto di alcuni fattori determinanti quali il supporto tecnico a lungo termine, la facilità di implementazione, la conformità ai livelli di sicurezza e performance prefissati, oltre alla garanzia che il protocollo sia universalmente accessibile.

Il modello “publish/subscribe” abilita lo scambio di messaggi in ambienti geograficamente distribuiti e, grazie alla sua semplicità, è stato adottato da un gruppo nutrito di protocolli di comunicazione Machine-to-Machine (M2M), quali MQTT e XMPP. In scenari dinamici, caratterizzati da una considerevole variabilità della rete (dovuta a frequenti join e leave dei nodi) e da “handoff” utili a garantire connessioni stabili, l’utilizzo del modello “publish/subscribe” è particolarmente indicato. Esso, infatti, utilizza notifiche push ed è in grado di gestire code di messaggi.

I protocolli HTTP/REST e CoAP, invece, supportano il modello “request/response”, caratterizzato da un meccanismo di “pulling” necessario a prelevare messaggi dalla coda. Inoltre, CoAP si avvale dei protocolli IPv6 e 6LoWPAN per gestire l’identificazione dei nodi nella rete. In letteratura è possibile trovare anche alcuni approcci tesi a supportare entrambi i modelli descritti [4,5].

Le tecnologie IoT rivestono un ruolo nodale in svariati domini applicativi che vanno dalla domotica a scenari più complessi, quali smart city ed e-government. In ambito industriale, sono da annoverare i seguenti campi applicativi: logistica e trasporti [6], gestione della catena di distribuzione [7], fleet management, industria aeronautica e sistemi di automazione aziendale.

Il sistema sanitario, le smart city e smart building, il social IoT e lo smart shopping sono soltanto alcuni esempi di applicazioni che concorrono al miglioramento della qualità di vita dell’individuo. Da ultimo, disaster management, environmental monitoring, smart watering, e ottimizzazione dei consumi energetici con l’ausilio di contatori intelligenti, sono esempi di applicazioni incentrate sulla tutela del patrimonio ambientale. Per ulteriori approfondimenti, Gascon [8] e Kim [9] presentano un’attenta disamina di un’ampia gamma di applicazioni IoT.

Un’area applicativa che sta guadagnando ampio consenso nel mondo scientifico è quella denominata Smart Environment. In tale contesto, l’IoT consente di fronteggiare il problema dell’inquinamento atmosferico, il quale ha assunto una crescente rilevanza sociale ed economica. Più in dettaglio, l’ozono troposferico e il particolato possono causare asma e malattie respiratorie, giacché le persone con asma sono più sensibili agli agenti inquinanti come il biossido di zolfo e gli ossidi di azoto. Pertanto, un monitoraggio real-time della presenza e della concentrazione di inquinanti, condotto mediante dispositivi IoT adeguati, è necessario al fine di prevenire situazioni ambientali poco confacenti alla salute dell’uomo. A tal fine, in [10] è presentato Polluino, un sistema di monitoraggio dell’inquinamento atmosferico basato su Arduino. È stato realizzato un prototipo e progettata una piattaforma Cloud-based che gestisce i dati acquisiti dai sensori di gas.

Concludo con una citazione: “With emerging IoT technologies collecting terabytes of personal data the question is, are we ready to unbutton our tight dress shirt while many are still just loosening their collars?” — Parker Trewin, Vice President Corporate Communications, Freshworks

Giovanni Battista Fioccola

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RIFERIMENTI

[1] D. Bandyopadhyay and J. Sen, “Internet of Things: Applications and Challenges in Technology and Standardization”, Wirel. Pers. Commun., vol. 58, no. 1, pp. 49–69, May 2011.
[2] Da Xu L, He W, Li S. Internet of Things in industries: a survey. Ind Inform IEEE Trans 2014;10(4):2233–43.
[3] Castellani A, Bui N, Casari P, Rossi M, Shelby Z, Zorzi M. Architecture and protocols for the internet of things: a case study. In: Eighth IEEE international conference on
pervasive computing and communications workshops (PERCOM workshops); 2010. p. 678–683.
[4] Teklemariam GK, Hoebeke J, Moerman I, Demeester P. Facilitating the creation of IoT applications through conditional observations in CoAP. EURASIP J Wirel Commun Netw
2013;2013(1):1–19.
[5] Kovatsch M, Lanter M, Shelby Z. Californium: scalable cloud services for the internet of things with CoAP. In: Proceedings of the fourth international conference on the
Internet of Things (IoT 2014); 2014.
[6] Yuqiang C, Jianlan G, Xuanzi H. The research of Internet of Things supporting technologies which face the logistics industry. In: International conference on computational intelligence and security (CIS); 2010. p. 659–663.
[7] Chaves LWF, Decker C. A survey on organic smart labels for the internet-of-things. In: Seventh international conference on networked sensing systems (INSS); 2010.
p. 161–164.
[8] Gascon D, Asin A. 50 sensor applications for a smarter world. http://www.libelium.com/top_50_iot_sensor_applications_ranking; 2015.
[9] Kim S, Kim S. A multi-criteria approach toward discovering killer IoT application in Korea. Technol Forecast Soc 2015;102:143–55.
[10] G. B. Fioccola, R. Sommese, I. Tufano, R. Canonico and G. Ventre, “Polluino: An efficient cloud-based management of IoT devices for air quality monitoring,” 2016 IEEE 2nd
International Forum on Research and Technologies for Society and Industry Leveraging a better tomorrow (RTSI), Bologna, 2016, pp. 1-6