Cinquanta miliardi di dispositivi saranno connessi a Internet entro il 2020, più del numero delle persone che a quella data popoleranno il pianeta. Non saranno tutti smartphone, ma prevalentemente sistemi multisensoriali e attuativi che interagiranno in maniera embedded con le persone e con l'ambiente attraverso una rete altamente pervasiva e di enormi capacità computazionali, Internet of Things. Internet of Things metterà in pratica il paradigma della interconnessione totale su scala mondiale. Ogni dispositivo, qualsiasi sia la sua natura e dimensione, sarà “intelligente” e capace di comunicare, quindi di interagire con altri dispositivi, di scambiare dati, di decidere in maniera automatica e autonoma sulla base di condizioni contestuali. Internet of Things, è la sintesi dell'evoluzione tecnologica che si è attuata negli ultimi dieci anni principalmente in settori tecnologici fondamentali della Ict, tra cui la microelettronica, l'informatica e la comunicazione, e che trova nei sistemi embedded la principale area applicativa. Internet of Things (brevemente IoT) è un neologismo per indicare il nuovo paradigma funzionale di Internet. Nel 1999 Kevin Ashton, cofondatore dell'Auto-ID Center presso il Massachussetts Institute of Technology, coniò il termine Internet of Things per identificare il sistema (e la tecnologia) per interconnettere Internet al mondo fisico tramite sensori disponibili ovunque e in ogni momento. I sensori sono dunque la tecnologia abilitante di Internet of Things e la tecnologia dei sistemi embedded rappresenta la piattaforma applicativa più significativa. Internet of Things è dunque l'evoluzione del concetto di uso della rete come sistema di comunicazione, verso il concetto di interconnessione tra dispositivi intelligenti capaci sia di comunicare tra loro (tramite la rete), sia di interagire con il mondo fisico (sia naturale, sia artificiale). La domotica è uno dei principali campi applicativi di Internet of Things, ove tutti i dispositivi diventano attivi sia grazie alla capacità sensoriale sia grazie al collegamento in rete. Innumerevoli sono dunque i campi applicativi di Internet of Things. Basti pensare alle vaste possibilità di emulazione e di interfaccia elettronica verso il mondo in cui viviamo (Rfid, Nfc, ecc.). Oltre alla connettività embedded, due altre importanti tecnologie stanno alla base dell'emergente Internet of Things, i microcontrollori e i sensori. Entrambe queste due tecnologie, nella loro evoluzione embedded, hanno creato le premesse per un'effettiva ed efficace applicabilità. La riduzione del consumo di potenza elettrica, il livello di integrazione e le dimensioni dei dispositivi sono i fattori principali che stanno determinando l'emergere della tecnologia di IoT. Queste coincidono con le tre tendenze di sviluppo tecnologico del mondo dei sistemi embedded, per cui si sta creando una convergenza tra il mondo dei sistemi embedded e il mondo di IoT in una forma sinergica più o meno consapevole.
Il ruolo del microcontrollore
in Internet of Things
Non c'è dubbio che il microcontrollore sia alla base dello strepitoso sviluppo del mondo delle applicazioni embedded, ma per l'effettiva realizzazione di Internet of Things, il microcontrollore ha reso disponibile funzionalità e caratteristiche ad elevatissimo livello di embedding. La dimensione e il consumo energetico sono fattori fondamentali per consentire a qualsiasi sistema embedded di essere un componente di Internet of Things. Ovviamente l'architettura di computing necessaria e il livello di system-on-chip della nuova generazione di microcontrollori va molto al di la dei ben noti microcontrollori a 8 e 16 bit. Si tratta di microcontrollori a 32 bit ad architettura computazionale avanzata, capaci di emulare anche il computing a 8 e 16 bit. La recente introduzione da parte di Freescale della Mcu KL02 ha dimostrato che l'industria dei semiconduttori ha intuito la portata di un fenomeno tecnologico come Internet of Things. KL02 è infatti una famiglia di Mcu chip scale, cioè delle stesse dimensioni del chip (1.9 x 2.0 mm), energeticamente efficente, con architettura computazionale a 32 bit (Arm Cortex-M0+). Le sue caratteristiche dimostrano tutta la potenzialità applicative in ambito IoT.
Piattaforme sensoriali e sensor fusion
IoT è una enorme rete neurale e come tale interagisce con il mondo fisico (persone, ambienti naturali, ambienti artificiali come case e uffici, ecc.) attraverso sistemi intelligenti dotati di capacità sensoriali e attuative. I sensori e gli attuatori, insieme ai microcontrollori, rappresentano la tecnologia abilitante che consente alla IoT di mettere in pratica la sua potenzialità applicativa. Il sensore intelligente o l'attuatore intelligente sono comunque solo il punto di partenza per la realizzazione di IoT. IoT funziona come un cervello e quindi necessita di numerose informazioni sensoriali come se fossero un'unica informazione sensoriale. Il sensor fusion è dunque il terzo e fondamentale pilastro dell IoT, senza il quale la complessità computazionale della rete crescerebbe in maniera esponenziale. Il sensor fusion va oltre il concetto di sensore intelligente. Il sensore intelligente è un sensore fisico combinato con un processore (analogico o digitale) in modo che, localmente, viene eseguita l'elaborazione dell'informazione fisica che consente di estrarre le informazioni caratterizzanti (features) dal segnale sensoriale. Il sensor fusion è invece la fusione in un'unica informazione sensoriale di molteplici informazioni sensoriali (anche da sensori intelligenti), finalizzata al funzionamento di un processo o un servizio. Il sensor fusion può essere implementato a vari livelli dei nodi della IoT, dal sensore fisico al cloud computing. IoT non prevede dunque il livello sensoriale in termini di semplice sensore fisico, ma in termini di piattaforma sensoriale in cui, molteplici sensori, anche di natura eterogenea, coesistono attraverso un processo di fuzione che porta a un livello di astrazione superiore l'informazione fisica catturata nei suoi domini di esistenza. Con IoT il concetto di sensore è più esteso di quello cui fino ad ora si è fatto riferimento nelle applicazioni embedded. Oltre al sensore fisico esite anche il sensore virtuale. I sensori virtuali non misurano direttamente una misura fisica ma la derivano utilizzando informazioni di altri sensori e una modalità di astrazione della misura fisica. Una tipica misura sensoriale di natura virtuale è il sensing relativo all'orientamento. La piattaforma Xtrinsic di Freescale integra attualmente fino a 12 gradi di libertà sensoriali (DoF) in un modulo di pochi centimetri quadrati. Questo livello di integrazione, anche se su scheda, potrebbe essere presto trasferito su un modulo sotto forma di sistem-on-package, consentendo in tal modo l'integrazione in dispositivi portatili o indossabili.
Framework sensoriale
La piattaforma sensoriale non è solo un insieme di sesori di natura multipla ed eterogenea, ma un sistema integrato di sensori, sia a livello hardware, sia a livello software. Per esempio, Xtrinsic Isf (Intelligent sensing framework) di Freescale mette a disposizione dello sviluppatore una infrastruttura software e le interfaccie di programmazione che consentono di integrare sensori di varia natura e i microcontrollori in un'unica piattaforma hardware/software. Xtrinsic Isf è un framework aperto che mette a disposizione un embiente run-time per eseguire applicazioni embedded fatte su misura e finalizzate a contesti applicativi specificamente embedded. In particolare Xtrinsic Isf mette a disposizione un'interfaccia unificata per far avere all'applicazione i dati da sensori multipli e di varia natura. Inoltre, questo framework consente di rendere flessibile l'architettura del sistema sensoriale, aggiungendo sensori indipendentemente dalla loro natura funzionale e di interfaccia. Data la natura di IoT, questo tipo di approccio all'integrazione consente di disporre di nodi sensoriali altamente integrati e soprattutto flessibili sia dal punto di vista funzionale che applicativo.
Conoscenza e consapevolezza del contesto
La fusione sensoriale, insieme all'elaborazione embedded e alla connettività consentono di ottenere uno degli obiettivi primari di IoT, la conoscenza e la consapevolezza del contesto (context awareness), cioè delle circostanze e dei fatti che configurano un evento o una situazione. Le applicazioni di IoT sono tendenzialmente context-aware, cioè considerano chi, dove, quando e cosa dell'evento e quindi consentono di determinare perchè una certa situazione avviene e di codificare un'azione condizionata a tale consapevolezza. Le più importanti informazioni che portano alla formulazione di un'azione context-aware sono l'identità, il luogo, il tempo e l'attività. Queste informazioni permettono di formulare un'azione che tramite opportune interfacce sarà applicata alla persona, all'ambiente e ai sistemi. I dati di contesto nell'interazione tra persone, ambiente e macchine sono catturabili e combinabili in maniera efficace tramite sensori e tecniche di data fusion. In particolare relativamente alle persone sono relativi al movimento, al modo di reagire agli stimoli, alle emozioni e alla carratterizzazione biometrica. Per quanto concerne il sistema, i dati sono relativi alla traiettoria, alla postura, all'impatto, alla velocità, alla potenza e alla retroazione. Infine, per quanto concerne l'ambiente, i dati sono relativi alla localizzazione, all'altezza, alla temperatura, all'umidità, alla luminosità, al suono, ecc.
Emotive computing e Internet of Things
Il remote sensing, applicato alla fisiologia e al comportamento umano, ha portato allo sviluppo del remote emotive computing, una tecnologia informatica e microelettronica che consente di ottene informazioni relative allo stato emotivo di una persona e di modulare l'applicazione in funzione di queste. Il context awareness di IoT basato sul sensor fusion trova nel remote emotive computing il naturale completamento, potendo in tal modo sviluppare servizi adatti alla specificità e problematicità della singola persona. Negli esseri umani l'emozione è una forma di stato psico-fisico che si manifesta tramite una serie di variabili comportamentali e fisiologiche catturabili tramite sensori, per esempio il rilassamento muscolare (sensore di pressione), la variabilità del battito cardiaco (elettrodi passivi), la conducibilità cutanea (elettrodi attivi), la respirazione (accelerometri), l'attitudine (accelerometri), la traspirazione della pelle, ecc. La cattura di informazioni di natura biometrica per l'utilizzo in termini di riconoscimento delle emozioni, finalizzata alla realizzazione di applicazioni emotion-aware, è da tempo oggetto di interesse, oltre che della ricerca, anche delle applicazioni industriali. Il remote emotion sensing è un ulteriore passo avanti di questa tecnologia sensoriale emergente che crea le condizioni applicative nel contesto di Internet of Things. Il remote emotion sensing non solo copre l'importante ambito applicativo del controllo elettronico della salute (e-health), ma anche altri ambiti applicativi come per esempio l'identificazione biometrica degli individui e il controllo dello stato emotivo ai fini della sicurezza dell'individuo nelle sue attività della vita quotidiana, come per esempio quando questo guida un'automobile.
I pro e contro di Internet of Things
Non c'è dubbio che IoT sia la più importante innovazione tecnologica di tutta la storia informatica ed elettronica, e come tale cambierà in maniera sostanziale, in poche decine di anni, la vita delle persone e del mondo che li circonda. Questo cambiamento sarà in gran parte positivo (soprattutto per l'ambiente) in quanto consentirà, grazie all'interazione sensoriale e all'enorme capacità comunicazionale e computazionale della rete, di vivere in piena libertà senza interagire direttamente con i computer così come siamo abituati oggi (la sveglia suona prima perchè sta piovendo e il traffico è previsto in aumento). Un sistema come IoT, che è in diretto contatto con la persona attraverso le sue manifestazioni fisiologiche e comportamentali, creerà ovviamente una serie di effetti collaterali negativi, il più importante tra tutti quello relativo alla sicurezza e alla privatezza. IoT è infatti fondata sul concetto di accesso alle informazioni fisiche, fisiologiche e comportamentali delle persone, quindi informazioni che a priori la persona, anche se fornisce il consenso in termini generali, potrebbe comunque non desiderare che i suoi dati fisiologici e comportamentali siano accessibili in momenti particolari. Con il paradigma della rete IoT garantire che i dati personali siano protetti e sicuri sarà più complicato che con qualsiasi altro paradigma di rete fino ad ora implementato.
