Mercoledì, 24 Maggio 2017
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Smart city: un punto su infrastruttura e sensori.

Il concetto di città intelligente riguarda la realizzazione di processi di vita quotidiana supportati da moderne tecnologie con l'obiettivo di aumentare l’efficienza, diminuire i costi e incrementare la qualità della vita. Gli ambiti di applicazione sono perciò i più vari: Sanità, Lavoro, Trasporti, Logistica, Informazione, Giustizia, Istruzione, Ambiente (inquinamento e rifiuti), Edilizia (ecoquartieri), Sicurezza (Safety&Security), Pubblica amministrazione, Energia (consumi e inquinamento), Emergenza, Commercio, Turismo, ecc.

Per ottenere gli obiettivi di cui sopra occorre utilizzare una combinazione di tecnologie che, sinteticamente, hanno due componenti: infrastruttura e applicazione. 

L’infrastruttura riguarda la componente fisica del sistema che a sua volta può, sempre con estrema sintesi, essere composta da due elementi: i sensori e la rete di telecomunicazioni. 

In questa nota ci soffermeremo soprattutto sui sensori e l'infrastruttura.
A tal riguardo è opportuno sottolineare come l’intelligenza degli esseri viventi sia fortemente legata alla capacità di elaborare in modo “corretto” gli stimoli
dell’ambiente. Questa relazione tra ambiente e intelligenza è bene espressa ad esempio dall’assioma della filosofia scolastica che recita “Nihil est in intellectu quod prius non fuerit in sensu”. In altri termini, il prodotto dell'intelletto non può prescindere dalla esperienza sensoriale. Perciò come i sensi per gli essere viventi, i sensori sono elementi fondamentali di ogni sistema artificiale. I sensori sono gli elementi che raccolgono dati e li mettono a disposizione mentre la rete consente che i dati vengano trasmessi agli utilizzatori (che possono essere umani o macchine). L’applicazione, tipicamente realizzata in software, è l’elemento che raccoglie i dati dai sensori, li elabora, produce dei dati in uscita e prende delle decisioni ovvero attiva dei meccanismi conseguenti in base a decisioni già prese.

I sensori sono dispositivi che convertono le grandezze ambientali in quantità utilizzabili che consentono cioè di misurare, di comunicare, di elaborare e di conservare le informazioni concernenti l’ambiente stesso.
L’ambito tecnologico che realizza tutte queste funzioni con la massima efficienza è l’elettronica.
I sensori sono quindi dei dispositivi che creano un’interfaccia tra un sistema elettronico e l’ambiente esterno. Generalmente sono elementi circuitali (resistenze, condensatori, diodi, transistori, generatori di tensione,…) i cui parametri dipendono da una grandezza ambientale. Ad esempio un termistore è una resistenza elettrica il cui valore è funzione della temperatura del corpo con cui è in contatto termico, oppure un fotodiodo è un diodo a semiconduttore la cui caratteristica è funzione della potenza luminosa che lo irraggia.
I sensori sono tipicamente classificati in sensori fisici, chimici e biologici in base alla tipologia della grandezza che rivelano.
I sensori elettronici, soprattutto per quanto riguarda i sensori di grandezze fisiche, traggono beneficio dalle tecnologie della microelettronica. Le tecnologie di fabbricazione dei dispositivi elettronici che consentono di integrare su singolo chip milioni di dispositivi interconnessi vengono infatti applicate anche per la realizzazione di parti meccaniche di silicio. È così possibile realizzare dei sensori di accelerazione formati da masse tenute in equilibrio da molle in silicio di
dimensioni sub-millimetriche e anche sensori di pressione formati da membrane di nitruro di silicio di spessore inferiore al micron. Questi sistemi realizzati in
silicio sono naturalmente compatibili con i processi di fabbricazione della microelettronica e portano alla realizzazione dei sistemi MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) che sono chip in silicio sui quali si trova integrata sia la elettronica sia il modulo meccanico del sensore.
Come per la microelettronica anche i MEMS, quando sono prodotti in larga quantità, possono avere costi estremamente ridotti. Come conseguenza, anche i MEMS sono diventati parte integrante della dotazione tecnologica che ciascuno di noi porta con sé. Ogni smartphone ad esempio è dotato tra gli altri di un sensore di accelerazione (che si accorge dell’orientamento del telefono cambiando la vista dello schermo), di un sensore di campo magnetico (la bussola), di un sensore di velocità angolare (detto anche giroscopio) fondamentale ad esempio per il controllo dei videogiochi, una video camera formata da una matrice di milioni di fotodiodi (i megapixel dell’immagine) e ovviamente del microfono.
Questi sensori, oggi sono ancora usati in maniera disconnessa tra loro, ma offrono infinite possibilità di connessione in rete. Si pensi ad esempio alla possibilità di monitorare i terremoti osservando le vibrazioni simultanee degli accelerometri degli smartphone presenti in una zona.
La tecnologia dei MEMS è perfettamente matura per molti sensori di grandezze fisiche, mentre la sensoristica chimica è ancora in ritardo soprattutto per il fatto che per la rivelazione di molecole è necessario fare uso di materiali organici i quali sono scarsamente compatibili con i processi microelettronici. La introduzione di nuovi materiali basati su forme cristalline del carbonio come ad esempio i nanotubi di carbonio e il grafene e il grande impulso della elettronica organica rendono possibile la realizzazione di sensori chimici in grande quantità, a basso costo, ed integrati con sistemi elettronici già esistenti come ad esempio le reti di smartphone.
È importante infine sottolineare come la diffusione di sensori a portata di ciascuno contribuisce ad innalzare il grado di consapevolezza degli individui stessi. I quali possono determinare in prima persona ad esempio il livello di inquinamento dell’aria urbana o la potabilità dell’acqua nelle proprie abitazioni.
Questo processo è fondamentale, a nostro avviso, per lo sviluppo del concetto di smart city. Perché una smart city è tale se sono smart i cittadini che la abitano, e la smartness, per tornare all’inizio è proporzionale alla capacità di conoscere l’ambiente che ci circonda.

I dati generati dai sensori possono poi viaggiare o su fili (in gergo tecnico portanti fisici) o nell’etere (in gergo portati radio) e circolare su quella che ormai è praticamente l’unica rete: Internet.
I sistemi radio, che nonostante il sempre crescente uso non sostituiranno mai le reti via cavo ma saranno sempre complementari ad esse, possono essere classificati in base alle distanze e alle aree coperte ma anche in base alla tecnologia: Terrestri (Tetra/PMR analogica, GSM, UMTS, WiMax, LTE, DVB T/TV analogica, DAB/radio analogica, WiFi, Hiperlan, Reti Ad hoc (senza infrastruttura), NFC; Spaziali (Satellite, HAPs e droni).
Ciascuna delle tecnologie elencate offre differenti caratteristiche e prestazioni che potranno essere utilizzate in maniera ottimale a seconda dell’applicazione e
dello scenario anche combinando due o più di esse. Proprio grazie alle differenti caratteristiche siamo in grado di scambiare informazioni in qualsiasi luogo ci troviamo (in una cantina o su una nave da crociera, nel deserto o nella città più edificata del mondo) sia da fermi che in mobilità ed anche quando non esiste una infrastruttura vera e propria (caso delle reti ad hoc e dell’istradamento opportunistico) oppure quando il collegamento subisce lunghe interruzioni (Delay Tolerant Networks).

Anche Internet è una combinazione di infrastruttura e applicazione e quindi ben si presta a supportare le smart cities. In particolare, si sta affermando anche dal punto di vista realizzativo un concetto basato su Internet che viene e sarà utilizzato per realizzare le smart applications: Internet of Things (IoT) ovvero l’Internet delle cose. Ogni oggetto sarà dotato di un indirizzo IP (come fino ad ieri praticamente solo i PC e oggi anche gli smartphone) e scambierà dati attraverso la rete per trasmettere informazioni o ricevere ordini. Attraverso Internet possiamo collegare tanti oggetti attivi nella nostra abitazione (telecamere, elettrodomestici, impianti, porte e finestre, ecc.) e comunicare con loro, gestire una rete di trasporto pubblico (bus o taxi), ottimizzare la gestione del traffico o dei parcheggi, ottenere assistenza medica, monitorare fenomeni naturali, ecc. Ogni tentativo di essere esaustivi nell’elencazione dei campi di applicazione potrebbe naufragare perché le possibilità di sviluppo hanno solo il limite dell’immaginazione umana e talvolta la realtà supera l’immaginazione.

In conclusione, alcune considerazioni possono aiutare a realizzare un ambiente di vita realmente intelligente perché, per dirla con una espressione cara ai matematici, la disponibilità di tecnologia è condizione necessaria ma non sufficiente.
La prima considerazione è culturale: occorre preparare operatori e cittadini all’uso di queste soluzioni altrimenti si rischia che falliscano pur essendo
effettivamente utili. La seconda riguarda la mobilità: si realizzano tante soluzioni per ottimizzare il movimento delle persone ma occorre anche sviluppare sistemi per ridurre l’esigenza di mobilità (telelavoro, telemedicina, teleformazione, ecc.). La terza riguarda lo standard: occorre che le soluzioni sviluppate siano quanto più standardizzate in modo da poterle utilizzare in ambienti e circostanze diverse senza dovere avere una soluzione per ogni città e non moltiplicare hardware e software necessari. La quarta riguarda l’amplissima gamma di possibili campi di applicazione che la tecnologia offre: occorre porre attenzione a non intaccare le capacità elementari delle persone di sapere “leggere, scrivere e fare di conto” nonché di conoscere l’alfabeto, altrimenti anziché ad un progresso contribuiremmo ad un regresso. Ultima considerazione, non in ordine di importanza, la sicurezza: il vero tallone di Achille è la capacità di proteggere i dati personali che intrinsecamente Internet ha difficoltà a garantire. Infatti, Internet è stata creata per fare circolare i dati, non per nasconderli.

Corrado Di Natale, Michele Luglio
Università di Roma Tor Vergata, Dipartimento di Ingegneria Elettronica
Consorzio NITEL

L'informazione geografica e il geospatial è l'infrastruttura di base per la crescita delle smart cities, in special modo nelle città storiche.

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