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L'Internet of Things e un approccio integrato per la Smart City la Smart Urban Infrastructure
No full textA hybrid BLE and Wi-Fi localization system for the creation of study groups in smart libraries
Full text linkCampus libraries in modern universities provide students with group study areas where they can work and study collaboratively. In this paper, we propose a complete solution for the creation of study groups in future smart libraries featuring (i) a smartphone application to create study groups, (ii) a hybrid Bluetooth Low Energy (BLE) and Wi-Fi indoor positioning system to localize study groups and (iii) a server-based infrastructure based on MQTT and Node-RED to advertise study groups to other students. We describe in details all components of the architecture and perform an experimental evaluation of the indoor positioning system in a realistic scenario
UWB Real-Time Location Systems for Smart Factory: Augmentation Methods and Experiments
No full textIn Industry 4.0, real-time location systems are emerging as a key technology to improve the efficiency of industrial processes, as they allow to track any assets or material movement and collect data on their usage. Ultra Wideband (UWB) systems offer unrivaled localization accuracy, but they call for augmentation strategies in environments with complex propagation conditions such as plants or factories with high density of scattering objects and obstructions. In this paper, we focus on Bayesian filtering techniques to counterbalance the detrimental effects induced by non line of sight and dense multipath in a smart factory scenario. We first conduct a set of experimental tests with commercial devices in an industrial facility of Pirelli Tyre S.p.A. located in Milan, Italy. We then use the collected data to design and test augmentation algorithms based on Extended Kalman Filter (EKF) and Particle Filter (PF), fusing Time Difference of Arrival (TDoA) and Angle of Arrival (AoA) signals. Experimental results show that, despite the harsh environment, accurate localization is possible by fusion of hybrid measurements and integration of prior information on the target dynamics and the industrial propagation environment
Data transferring and analysis with Arduino and LoRa network
Full text linkLAUREA MAGISTRALELo scopo di questo lavoro è monitorare e ottenere condizioni ambientali come quelle relative
umidità e temperatura di una particolare area usando LoRaWAN. I clienti ottengono il
privilegio di iscriversi agli argomenti di temperatura e / o umidità relativa in cui il MQTT
il broker trasmetterà i dati al mio client Node-RED. Le caratteristiche aggiuntive di questo lavoro
include una lunga durata della batteria e basso costo. Il nodo finale LoRa funziona con una banda ISM a 868 MHz
trasmette i valori al gateway LoRa sul server di rete LoRa. I clienti possono
recuperare le informazioni su qualsiasi periodo desiderato.The aim of this work is to monitor and obtain environmental conditions such as relative
humidity and temperature of a particular area using the LoRaWAN. The clients get the
privilege to subscribe to the temperature and/or relative humidity topics where the MQTT
broker will relay the data to my Node-RED client. The additional features of this work
include long battery life and low cost. The LoRa end node operating at 868 MHz ISM band
transmits the values to the LoRa gateway over the LoRa network server. The clients can
retrieve the information over any desired period
An overview of Middleware platforms for the Internet of Things
No full textLAUREA MAGISTRALEL’internet delle cose e’ un nuovo paradigma che consiste nell’avere tanti dispositivi diversi, che parlano utilizzando diversi protocolli e tecnologie di comunicazione. Questa eterogeneita’ e’ uno degli aspetti essenziali di questo paradigma, in quanto introduce un alto livello di complessita’ nel sistema. Le piattaforme Middleware rappresentano una soluzione che facilità la connessione e la gestione di un vasto numero di dispositivi eterogenei, fornendo inoltre i mezzi per poter sviluppare nuove applicazioni dell’internet delle cose con tempi e costi molto contenuti.
La presente tesi di laurea si focalizza principalmente sull’analisi delle Piattaforme Middleware dell’internet delle cose. E’ stato svolto un’analisi atta a identificare le principali piattaforme, le quali sono poi state categorizzate in base alle loro funzionalita’ centrale, al tipo di client, ai partner tecnologici e ad altre caratteristiche. Alla fine dello scouting, sono state selezionate tre piattaforme per una successiva analisi piu’ dettagliata, nella quale tale piattaforme sono state messe a confronto grazie allo sviluppo di un’applicazione base IoT, utilizzando un dato setup hardware. Il confronto ha valutata l’esperienza di utilizzo delle piattaforme per sviluppo e si è concluso con un’analisi in cui sono state evidenziate i principali punti di forza e di debolezza delle tre piattaforme.
I contributi maggiori di questo lavoro sono legati allo scouting e alla caratterizzazione di un vasto insieme di piattaforme Middleware, all’identificazione di 5 principali clusters in base alla loro funzionalita’primaria e alla documentazione dello sviluppo di un’applicazione dell’internet delle cose basata su tre piattaforme diverse.The Internet of Things is a new paradigm that revolves around having numerous connected devices, talking to each other using different network protocols and communication technologies. This heterogeneity is one of the key issues of this paradigm, as it introduces a high degree of complexity to the system. In order to interconnect and manage the vast number of heterogeneous devices, Middleware Platforms have come up as a solution, while also providing the means for developing new Internet of Things applications and solutions in a straightforward and time cost-efficient way.
This Master Thesis focuses on an analysis of Middleware Platforms for the Internet of Things. A survey was performed for identifying the main Platforms, then characterizing them according to main functionalities provided, targeted client type, technological partnerships and other features. Once the Platforms scouting was concluded, three platforms were selected for an in-depth analysis, where a comparison between them was carried out by developing a basic IoT application, using a given hardware setup. The comparison took into account the developer experience of using the platforms, some of their features, and was concluded with an analysis highlighting the main potentials and weaknesses of these platforms.
The main contributions of this work are related to the scouting and high-level characterization of an extensive set of Middleware Platforms, to the identification of 5 main clusters based on their primary functionality and to the documentation of the development experience of an Internet of Things application that is based on three different Platforms
Realization and performance evaluation of a hybrid UWB/WiFi indoor localization system
Full text linkLAUREA MAGISTRALELa localizzazione in ambienti interni è una tematica molto importante nell'era
dell'industria 4.0.
Questa tesi presenta alcuni dei principali problemi e soluzioni che caratterizzano questo
argomento, analizzandone anche approcci ibridi che combinano più tecniche tra di loro.
La panoramica generale di questa tematica, la presentazione delle tecniche di uso
più comune e l'analisi dello stato attuale della letteratura sono
accompagnate da un lavoro pratico che ha l'obiettivo di analizzare l'utilizzo dei protocolli
wireless Ultra-wideband (UWB) e WiFi, affiancati alle tecniche di localizzazione
Received signal strength (RSS) e two-way ranging (TWR), la quale è basata su Time of flight (TOF).
Il lavoro pratico è diviso in due parti principali: la prima consiste nella messa in piedi
di un sistema che possa raccogliere dati sfruttando entrambe le tecnologie e
nell'impiego di quest'ultimo in esperimenti che riproducono sia condizioni di linea di vista che non;
la seconda consiste nell'analisi dei dati raccolti, in cui
viene predetto il Received signal strength indication (RSSI) del WiFi mediante i dati relativi ad UWB in modo da studiare
la relazione tra i due protocolli, vengono confrontati i valori di RSSI ottenuti
sia con UWB che con WiFi in maniera visiva e viene effettuata la
localizzazione usando le informazioni di entrambi i protocolli.
I dispositivi scelti per analizzare le prestazioni dei protocolli UWB e WiFi
sono rispettivamente il chip DW1000 della DecaWave e dei semplici Raspberry Pi 3 model B.
I risultati ottenuti alla fine di questo lavoro mostrano che combinando i dati
raccolti durante il processo di misurazioni con le coordinate stimate dal sistema
DecaWave mediante techiche di Machine Learning è possibile
migliorare la precisione del sistema DecaWave stesso, fino anche a raddoppiarla in alcuni scenari.Indoor localization is a very important theme in the industry 4.0 era.
This thesis presents some of the main problems and solutions that regards this
topic, by also analyzing hybrid approaches combining different techniques.
Besides the generic overview of the topic and the presentation of the most commons techniques
and the current literature review, in this thesis there also results and methodologies of a
practical work with the goal of analyzing the utilization of Ultra-wideband (UWB) and WiFi
wireless protocols, together with localization techniques Received
signal strength (RSS) and two-way ranging (TWR), which is based on Time of flight (TOF).
The practical work is divided in two main parts: the first one consists in setting up a
system that is able to collect data by exploiting both technologies and using it in
some experiments that reproduce both Line-of-sight (LOS) and Non-line-of-sight (NLOS) conditions; the
second one is about the analysis of the data that had been collected, in
which Received signal strength indication (RSSI) WiFi is predicted through the data relative to UWB in order to study
the relation between the two protocols, RSSI values obtained with both UWB and
WiFi are compared in a visual way and localization is performed by using
information of both protocols.
The devices that were chosen in order to analyze the performances of UWB and
WiFi protocols are respectively the DW1000 Decawave chip and some simple
Raspberry Pi 3 model B.
The results obtained at the end of this work show that by combining the data that
were collected during the measurements process with the coordinates estimated by
the DecaWave system with Machine Learning techniques it is possible to improve
the precision of the Decawave system itself, up to double it in some scenarios
Location awareness in logistics and supply chain management
No full textLAUREA MAGISTRALEQuesta dissertazione è basata sul framework web Django, ha lo scopo di introdurre la tecnologia web e le tecniche di visualizzazione dei dati nella gestione della catena di approvvigionamento, che vanno dalla rete di distribuzione esterna alla simulazione del magazzino al coperto.
In questa tesi, si tratteranno i benefici della consapevolezza della posizione per la catena di approvvigionamento, discuteranno le tecnologie all'avanguardia che si potrebbero sfruttare per migliorare l'efficienza e l'adeguatezza della catena di approvvigionamento.
Concretamente, questa tesi analizzerà i dati di posizionamento raccolti dal laboratorio IOT, confrontando i vantaggi e gli svantaggi dei diversi protocolli di comunicazione e i loro scenari di utilizzo aziendale; tutti i risultati sono riproducibili e tutti i dati sono disponibili online o in allegato.This dissertation is built upon Django web framework, aims to introduce the web technology and data visualization techniques into the supply chain management, ranging from outdoor distribution network to indoor warehouse simulation.
In this paper, it will elaborate the benefits of location awareness for supply chain, discuss the state-of-art technologies that we could take advantage of to improve the efficiency and adaptiveness of supply chain.
In practical, this paper will analyze positioning data collected from IOT lab, comparing the advantages and disadvantages of different communication protocols and their business use scenarios, and all the results are reproducible and all the data are available either from online or appended as annex
A multiprotocol-based interoperability framework for smart home Internet of Things devices
No full textLAUREA MAGISTRALEIl concetto di Internet of Things ha raggiunto un'ampia diffusione nella società moderna, trovando applicazione in diversi settori.
I servizi offerti sono caratterizzati da alti livelli di apertura e flessibilità, proprietà ben lontane dalle applicazioni machine-to-machine degli ultimi decenni: sensori, dispositivi e infrastrutture sottostanti possono essere adattati e riutilizzati per supportare una moltitudine di ambiti.
Tuttavia, al fine di raggiungere il massimo impiego del principio di apertura, è necessario il conseguimento di un altro risultato: l'interoperabilità.
Tale concetto, per quanto concerne il modello OSI, non è ancora individuabile nella maggioranza dei sistemi esistenti, nonostante la diffusione di tecnologie e standard specifici per l'IoT (ad esempio, Constrained Application Protocol - COAP, Message Queuing Telemetry Transport - MQTT, LightweightM2M). Infatti, l'adozione da parte di due o più sistemi di livelli OSI compatibili non garantisce che, nel complesso, lo siano a loro volta, portando così alla definizione di sistemi verticalmente chiusi.
La maggior parte delle piattaforme IoT esistenti adotta scelte implementative diverse ed eterogenee, determinando una frammentazione del mercato, in cui non è possibile ritrovare una comune e completa interfaccia per la comunicazione tra i dispositivi. Il nostro lavoro si concentra sulla ricerca e lo sviluppo di un framework di integrazione basato su alcune delle più importanti tecnologie e sistemi operativi emergenti che popolano il mondo IoT: IoTivity, OpenThread e Android Things. Durante l'implementazione, abbiamo seguito un duplice approccio: in primis bottom-up, basato su Android Things, un sistema operativo open source specificatamente progettato per applicazioni IoT, e, in seguito, un'ottica top-down, integrando il framework IoTivity, risultato del più importante consozio riguardante l'interoperabilità, Open Connectivity Foundation. In aggiunta, abbiamo introdotto OpenThread, un protocollo di rete open source basato su IPv6 con funzionalità avanzate di routing e sicurezza. Il risultato è stato la creazione di un framework completo che facilitasse la comunicazione tra dispositivi, con supporto a funzionalità avanzate come discovery automatico, automazione basata su regole, interazione remota, gestione automatica dei dispositivi basata su profili e capacità simili e molti altri. Inoltre, il framework è in grado di esporre un'interfaccia per garantirne l'interoperabilità con ecosistemi esterni, fornendo una serie di funzionalità, come l'accesso agli stati dei dispositivi e l'inoltro di comandi specifici, mascherando i protocolli di comunicazione adottati. La struttura del framework, modulare ed estensibile, offre la possibilità di estenderne il supporto a un'ampia gamma di protocolli, siano essi di comunicazione o applicativi, mantenendo la compatibilità con sistemi pre-esistenti. In seguito alla fase di ricerca e sviluppo, abbiamo proceduto all'implementazione di un ampio ambiente di simulazione, composto da dispositivi eterogenei, ognuno dei quali con supporto ad uno specifico protocollo di comunicazione, diverse architetture hardware e sistemi operativi, al fine di evidenziare i principali vantaggi di questo framework.The concept of Internet of Things is widespread in modern society, having reached an important level of diffusion in different fields. The main difference in this approach with respect to the legacy machine-to-machine applications of past decades is constituted by the openness and flexibility: sensors, devices and the underlying infrastructure can serve a multitude of purposes, and can be reused among different applications.
This concept of openness, however, requires another characteristic to be satisfied in order to reach full fruition: interoperability. Nowadays, despite the diffusion of IoT technologies, and the usage of several IoT-oriented standards (such as Constrained Application Protocol - COAP, Message Queuing Telemetry Transport - MQTT, LightweightM2M), the concept of interoperability still eludes most real-world systems, when looking at their complete OSI stack. The fact that some of the layers are compatible does not guarantee the overall compatibility between systems, and still lead to the creation of walled-gardens, or vertically-closed systems.
Most existing and emerging IoT platforms adopt different, heterogeneous methods, thus leading to a fragmentation in the market, where a single full-fledged common interface between devices is not available.
Our work focuses on the research and development of an integration framework based on some of the most prominent emerging technologies and operating systems characterizing the IoT world: IoTivity, OpenThread and Android Things. We have followed a dual approach: on one side, bottom-up, based on an open source embedded Operating System, Android Things specifically designed for IoT applications, and on the other a top-down perspective, integrating the work of the most prominent interoperability consortium, the Open Connectivity Foundation, and their IoTivity framework. In addition, we introduced OpenThread, an open source network protocol based on IPv6, with advanced routing and security features.
The result is the creation of a complete framework that allows seamless inter-device communication, with advanced features such as automatic device discovery, rule-based automation, remote interaction based on a digital-twin concept, automatic device management based on similar profiles and capabilities, and many more. Moreover, the framework is also able to provide an external interface in order to ensure interoperability with other ecosystems, supporting a series of features, such as access to device states and specific command forwarding, in a transparent way with respect to the communication protocols adopted.
The framework structure is modular and extensible, providing the possibility to extend the support to a wide range of protocols, from wireless communication, up to application-oriented ones, while maintaining retro-compatibility.
Following the research and development phase, we have proceeded to implement an extensive simulation environment, composed of different heterogeneous devices, each one adopting a specific communication protocols, that highlights the main benefits of this framework, using several hardware architectures and operating systems
High-accuracy real-time indoor localization systems for smart factory applications
No full textLAUREA MAGISTRALELa localizzazione è diventata estremamente importante per l'erogazione di numerosi servizi, sia in applicazioni quotidiane che critiche, dove sono richieste precisioni molto elevate e risposte in tempo reale. Questa tesi è focalizzata su tecniche di localizzazione in ambito industriale, dove soluzioni intelligenti stanno emergendo al fine di aumentare l'efficienza dei processi di produzione e migliorare la sicurezza sul lavoro. In questi ambienti complessi non è possibile usare sistemi satellitari (come il GPS) a causa del verificarsi di fenomeni di propagazione multicammino e di non visibilità (NLOS). Per ovviare a queste problematiche, negli ultimi anni si stanno diffondendo i sistemi di localizzazione in tempo reale (RTLS), che garantiscono integrazione con infrastrutture preesistenti e precisione molto elevata. Tra le diverse tecnologie RTLS, questa tesi, è incentrata sull’analisi e confronto di soluzioni Ultra WideBand (UWB) e Radio Frequency Identification (RFID). La prima è prevalentemente usata per ottenere stime di posizione affidabili e precise, mentre la seconda è più adatta per l’identificazione. Partendo da analisi sperimentali in laboratorio (IoTLab del Politecnico di Milano), in seguito sono state eseguite campagne di misurazione presso le strutture di Pirelli Tyre S.p.A, valutando le prestazioni dei dispositivi Decawave, Sewio, Ubisense e ImpinJ. I test sperimentali sono stati eseguiti grazie alla collaborazione tra Politecnico di Milano, Pirelli Tyre S.p.A. e TELCO S.r.l., all'interno del progetto di ricerca Total Efficiency 4.0, sovvenzionato dalla Regione Lombardia col finanziamento POR-FESR 2014-2020. È scopo della tesi testare le capacità dei sistemi UWB e RFID per localizzare oggetti sia statici che in movimento. Un altro contributo importante della tesi è lo sviluppo di un algoritmo avanzato di tracciamento per una localizzazione precisa, che combina informazioni di posizione con le specifiche condizioni di propagazione dei segnali radio (ad esempio, le condizioni LOS e NLOS), garantendo al contempo una ridotta complessità computazionale. Le prestazioni dell'algoritmo proposto sono validate utilizzando le misure acquisite nei test.Localization has become increasingly important for many services, from everyday applications to critical missions, where real-time high accuracy position outcomes are expected to be delivered. This thesis is focused on localization techniques for industrial applications, where emerging smart solutions are being deployed to increase company productivity and improve working conditions. In these complex environments, Global Navigation Satellite System (GNSS)-like infrastructures (e.g., Global Positioning System (GPS)) are prevented from being used due to the harsh conditions where Non Line-Of-Sight (NLOS) and multipath propagation are experienced. To overcome these problems, Real-Time Location Systems (RTLS) have been getting attention over recent years as they can be integrated in preexisting infrastructures and are capable of achieving high localization accuracy. Among the different technologies for RTLS, this thesis is focused to analyze and compare Ultra WideBand (UWB) and Radio Frequency Identification (RFID) solutions. The first one is mainly used for reliable, high accuracy localization/tracking purposes, while the second one is typically intended for asset/item identification. Starting from experimental analysis in laboratory (IoTLab, Politecnico di Milano), we then performed measurement campaigns at the premises of Pirelli Tyre S.p.A., evaluating the performances of Decawave, Sewio, Ubisense and Impinj devices. The experimental tests have been carried out within the collaboration of Politecnico di Milano, Pirelli Tyre S.p.A. and TELCO S.r.l., in the research project Total Efficiency 4.0 funded by Regione Lombardia under the grant POR-FESR 2014-2020.
A goal of this thesis is to test the capability of UWB and RFID systems to precisely localize static assets as well as the ability to track them in motion. Another major thesis contribution is the development of an advanced tracking algorithm for precise localization that jointly tracks the moving terminal position and the signal propagating conditions (e.g., LOS or NLOS), still maintaining a reasonable computational complexity. The performances of the proposed algorithm are validated on the UWB experimental data
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