Non passerà molto tempo prima che gli spazi intelligenti diventino un importante settore industriale che cerca di integrare sensori e intelligenza artificiale negli ambienti di tutti i giorni. Pertanto esamineremo alcuni potenziali esempi di futuro e l'hardware da prendere in considerazione se si desidera trasformare un progetto del genere in realtà.
Che cosa sono gli spazi intelligenti?
Quando si parla del futuro delle tecnologie legate all'IoT, si utilizza spesso il termine "spazi intelligenti". Tuttavia, prima di poter esaminare l'hardware e le applicazioni negli spazi intelligenti, dobbiamo fornire una definizione dello spazio intelligente.
In breve, qualsiasi ambiente che è stato digitalizzato al punto da essere sia leggibile che scrivibile può essere considerato uno spazio intelligente. Con "leggibile" e "scrivibile" intendiamo che i dati chiave relativi a quell'ambiente possono essere letti, elaborati e quindi modificati in base al risultato. Ad esempio, gli ambienti interni possono essere pensati come uno spazio intelligente in cui la qualità dell'aria è controllata misurando la temperatura e i livelli di CO2, i risultati sono elaborati da un computer e le finestre e le unità di condizionamento vengono quindi regolate per migliorare la qualità del clima interno, sostituendo l'aria viziata e riscaldando o raffrescando gli spazi. Tuttavia, a differenza di un sistema di controllo ambientale tradizionale, un sistema di controllo intelligente elaborerebbe l'ambiente per reagire in base a molteplici fattori, come il numero di persone presenti, i prezzi attuali dell'energia e i modelli di comportamento degli utenti.
Fondamentalmente, uno spazio intelligente consiste nell'atto di digitalizzare un ambiente in modo che possa essere monitorato e controllato da sistemi intelligenti in grado di rispondere in tempo reale. Praticamente qualsiasi ambiente può essere trasformato in uno spazio intelligente: strade, foreste e persino le vie di una città. Se un ambiente può essere digitalizzato, allora può essere trasformato in uno spazio intelligente.
Quali saranno i requisiti fondamentali per un sistema integrato in uno spazio intelligente?
Il componente fondamentale di qualsiasi spazio intelligente (o di qualsiasi circuito elettronico moderno, se è per questo) è un microcontroller incorporato il cui compito è leggere i dati dei sensori, elaborare input e output e comunicare con server remoti per fornire dati e ricevere comandi.
Il secondo componente in ordine di importanza in uno spazio intelligente è la comunicazione: in che modo un microcontroller integrato comunica con un server remoto per effettuare lo scambio dei dati? Sebbene alcuni spazi (come gli ambienti chiusi industriali) possano consentire l'uso di una rete Ethernet cablata o dello standard RS-232, è molto probabile che gli spazi intelligenti richiederanno l'uso delle comunicazioni wireless. In tal caso, i progettisti potranno scegliere tra reti cellulari, Wi-Fi, Bluetooth e LoRaWAN.
Indipendentemente dalla tecnologia wireless utilizzata, l'atto stesso di utilizzare le comunicazioni wireless impone pressioni multiple su un progetto, inclusi problemi correlati al consumo energetico e alla sicurezza. Mentre il problema dell'alimentazione può essere gestito con una trasmissione poco frequente di dati e l'uso di microcontroller a bassa alimentazione, l'aspetto della sicurezza delle comunicazioni wireless presenta alcune sfide importanti.
Innanzitutto, la sicurezza wireless consente a eventuali aggressori di accedere ai dispositivi senza dover essere fisicamente vicini ad essi. In secondo luogo, gli spazi intelligenti con più dispositivi che utilizzano tutti la stessa tecnologia potrebbero essere un bersaglio allettante per un hacker, poiché l'intrusione in un unico dispositivo fornirebbe accesso a tutti i dispositivi collegati a quella rete e questo aumenterebbe i vantaggi di un'intrusione riuscita.
Pertanto, un dispositivo integrato non deve solo essere a basso consumo energetico, ma deve anche comprendere solide funzionalità di sicurezza come crittografia hardware, generazione di veri numeri casuali, zone di fiducia e acceleratori crittografici.
Per comprendere meglio gli spazi intelligenti e i vincoli a cui sono sottoposti, diamo un'occhiata ad alcuni esempi delle sfide di un progetto e a ciò che un ingegnere dovrebbe cercare.
Esempio 1: contenitori per rifiuti intelligenti
I contenitori per rifiuti intelligenti sono già in una prima fase di sviluppo e potrebbero aiutare a creare spazi intelligenti nelle città in grado di rispondere all'utilizzo in tempo reale. Ad esempio, un contenitore dotato di un sensore che rileva la percentuale di riempimento in tempo reale sarebbe in grado di organizzare la raccolta solo quando necessario e ciò ridurrebbe le emissioni di CO2 dei veicoli per la raccolta dei rifiuti. In secondo luogo, un contenitore intelligente sarebbe in grado di tracciare il proprio utilizzo rispetto all'ora corrente e questo darebbe agli urbanisti delle informazioni sul traffico in una determinata area.
Poiché un tale dispositivo sarebbe incredibilmente semplice (basterebbe un banale sensore PIR), praticamente qualsiasi microcontroller integrato avrebbe la capacità di elaborazione per rilevare quando è presente della spazzatura e quindi segnalare a un server remoto quando è necessaria una raccolta dei rifiuti. Anche se questi contenitori per i rifiuti si trovano nelle aree urbane, che hanno accesso alle infrastrutture, il fatto che debbano essere gestiti da operatori significa che qualsiasi manutenzione necessaria sul sensore potrebbe essere eseguita durante la raccolta e ciò includerebbe anche l'eventuale cambio delle batterie. Poiché le batterie sono più facili da integrare rispetto a dei cavi di rete con convertitori di corrente, ha senso che un sensore di questo tipo funzioni a batteria. Infine, l'uso di tali sensori in un'area urbana significa poter sfruttare le reti cellulari che sono ampiamente presenti nelle città.
In questo caso, il fattore più importante per un progettista sarebbe la necessità di un processore a basso consumo in grado di comunicare con un modem cellulare o provvisto di un proprio modem cellulare nella forma di un dispositivo system-on-module. In entrambi i casi, i consumi ridotti sarebbero il fattore chiave di un tale progetto.
Esempio 2: monitor di attività
Che si tratti di un'area esterna o interna, un monitor di attività è un dispositivo in grado di osservare l'attività immediata dell'ambiente circostante. Tali attività includono il numero di persone che si muovono nell'area, il tempo che un passante trascorre nell'area e persino l'identificazione degli individui. Un dispositivo come quello nell'esempio avrebbe bisogno principalmente di una videocamera e questo elemento richiede già una determinata capacità di elaborazione da parte di qualsiasi microcontroller scelto. L'uso del riconoscimento facciale potrebbe dover essere eseguito anch'esso localmente per motivi di privacy (ad esempio, con l'edge computing) e ciò richiederebbe un'elaborazione con intelligenza artificiale a livello locale.
Infine, i problemi di alimentazione di un tale dispositivo sono in qualche modo irrilevanti, se si considera che la maggior parte dei sistemi di videocamere utilizza l'alimentazione del dispositivo principale. Questo per garantire che la videocamera disponga di tutta l'alimentazione necessaria per elaborare i video e garantire l'affidabilità della videocamera.
Esempio 3: illuminazione intelligente
Gli spazi esterni provvisti di illuminazione possono sfruttare i dispositivi intelligenti per decidere quando l'illuminazione è necessaria. In questo caso, il vantaggio deriverebbe da un risparmio di energia quando l'illuminazione non è in uso e l'attenuazione delle luci potrebbe essere d'aiuto anche per l'inquinamento luminoso, sia per i residenti nelle vicinanze che per il cielo in generale. Inoltre, la riduzione dell'illuminazione aumenta la durata delle luci e ciò aiuta a ridurre i rifiuti elettronici e il costo complessivo della vita di un sistema di illuminazione.
Per creare un tale sistema, sono necessari sensori in grado di rilevare l'attività, ma non azionati con lo stesso grado di accuratezza o risoluzione di quelli dell'esempio precedente (il monitor di attività). In questo caso, l'unica preoccupazione è se uno spazio è occupato e dati più avanzati potrebbero riguardare la velocità e la direzione di un occupante (questi dati potrebbero essere utilizzati per creare un percorso di previsione in cui le luci vengono spente e accese automaticamente in base alle necessità).
È anche probabile che un tale sensore possa eseguire la maggior parte dell'elaborazione su chip e non debba utilizzare servizi cloud remoti (ovviamente, i servizi cloud potrebbe sempre essere utilizzati per aggiungere delle funzionalità al sistema di illuminazione). Considerando che i sistemi di illuminazione intelligente avranno collegamenti stabili per l'alimentazione, è poco probabile che siano necessari sistemi di sensori alimentati a batteria e ciò significa che non è fondamentale scegliere delle soluzioni a basso consumo energetico.
Un dispositivo integrato in questa applicazione dovrebbe essere dotato innanzitutto di robuste funzionalità di sicurezza, semplicemente perché un utente malintenzionato che riuscisse ad accedere al dispositivo sarebbe in grado di controllare l'illuminazione a suo piacimento e di utilizzarla per scopi disonesti (ad esempio per coprire le proprie tracce, commettere qualche reato, ecc.). Inoltre, sarebbero necessarie robuste funzionalità di sicurezza, poiché un tale sistema potrebbe anche essere in grado di identificare le persone, se utilizzato con una videocamera.
Il futuro degli spazi intelligenti appare luminoso
Siamo ancora agli albori degli spazi intelligenti e, sebbene molti prodotti sul mercato vengano venduti come "intelligenti", la maggior parte di essi, di fatto, non è intelligente, poiché tali dispositivi non sono in grado di eseguire alcuna vera elaborazione dei dati, né di reagire agli eventi in tempo reale. Mano a mano che gli ingegneri progettano e sviluppano sensori e dispositivi per l'edge computing da utilizzare negli spazi intelligenti, dobbiamo assicurarci che venga scelto il giusto tipo di tecnologia per queste applicazioni e, per farlo, dobbiamo essere sicuri di comprendere appieno ciò che viene richiesto a un dispositivo.
Nel caso degli spazi intelligenti, la privacy e la sicurezza saranno le due maggiori aree di preoccupazione e, quindi, qualsiasi dispositivo integrato in uno spazio intelligente dovrebbe disporre quanto meno di più livelli di sicurezza hardware, tra cui crittografia, archiviazione delle chiavi e certificati. Il successivo fattore di interesse, in ordine di importanza, sarà il consumo energetico, poiché le probabilità che un sensore per gli spazi intelligenti funzioni a batteria sono elevate. Prendendo le mosse da queste questioni primarie si dovrà poi scegliere una tecnologia di comunicazione ed è a questo punto che si potrà finalmente costruire un progetto per uno spazio intelligente integrato.