IoT: LoRa per il monitoraggio ambientale

LoRa viene utilizzato per creare un collegamento di comunicazione a lungo raggio. Esso si basa sulla modulazione dello spettro diffuso del chirp per mantenere basse caratteristiche di potenza, e aumenta significativamente il raggio di comunicazione coprendo centinaia di chilometri quadrati [34]. Uno dei maggiori vantaggi della rete LoRa è che, copre una distanza di diversi chilometri e non è necessario avere accesso a Internet presso i nodi dei sensori.

Inoltre, questa rete può essere distribuita in ambienti urbani o in aree non collegate senza costi di comunicazione e fornisce comode funzionalità per le applicazioni IoT [34]. Per queste ragioni LoRa è usata per per implementare il monitoraggio in una rete ad ampio raggio indipendente a bassa potenza. Nell’ambito di queste misure viene applicato unmetodo definito come metodo di riduzione dei dati descritto qui di seguito:

Il processo inizia con la lettura delle misure dai sensori, le fasi intermedie sono focalizzate nella riduzione dei dati e il tempo di acquisizione usando metodi semplici, e termina con l’invio dei dati ad un nodo gateway. Da questo nodo i dati vengono inviati a un servizio di cloud storage. Queste fasi intermedie vengono eseguite al nodo del sensore in unmicroprocessore a bassa potenza prima di inviare i dati al gateway e sono spiegate in dettaglio qui di seguito.

Filtro 1-D Kalman

Il segnale di uscita del sensore PM ha una elevata componente di rumore che può essere caratterizzata come rumoregaussiano. Pertanto, è necessario implementare un 1-D Filtro Kalman. L’equazione del filtro è mostrata di seguito, dove X ^k è il valore stimato, Z_k è il valore misurato e K_k è il Guadagno Kalman

Per calcolare il K_k è necessario conoscere o stimare la covarianza di errore R del processo P. Per il sensore PM la covarianza di errore dell’osservazione può essere ottenuta con la funzione di densità di probabilità dei dati, mentre il sensore PM è statico. Se il valore di R è noto, viene   utilizzato il processo mostrato di seguito, dove m è un vettore di precedenti campioni grezzi acquisiti utilizzati per ottenere la natura del rumore.

Downsampling

Il filtro Kalman applica una levigatura al segnale PM2.5. Il downsampling viene eseguito in un tale modo in cui un campione è registrato solo quando ci sono significativi variazioni del segnale PM del campione precedente, prelevandoin considerazione di una soglia stabilita. Pertanto, l’importo di dati inviati per la memorizzazione nel cloud diminuisce.

Fusione dei dati e scalatura dei dati

La misurazione di dati ridondanti utilizzando diversi sensori di alcuni sensori ambientali variabili permette di ottenere una misura correlata utilizzando la fusione dei dati. Per il nodo implementato, alcune variabili sono misurate utilizzando due sensori di marche diverse. Le misurazioni effettuate con entrambi i sensori sono mediate per generare un unico valore. Un’altra tecnica usata in questo processo è la scalatura dei dati, che consiste nel ridurre i dati ad un intervallo previsto e rimuovere i decimali irrilevanti. Questo processo riduce i dati senza perdere informazioni rilevanti.

Le reti LoRaWAN attive

LoRaWAN si sta diffondendo in tutto il mondo con la creazione di infrastrutture LoRa gestite da operatori delletelecomunicazioni e non solo.

Negli Stati Uniti, Senet e Comcast sono due tra le compagnie che stanno investendo maggiormente su questatecnologia. Anche in Europa è presente un interesse a riguardo che ha coinvolto tra le altre KPN, compagnia olandese che ha annunciato reti LoRaWAN con copertura nazionale, Proximus, azienda belga che vanta una rete molto diffusa sul territorio, Orange, che in Francia ha iniziato a fornire collegamenti in diversi centri urbani, Unidata e Telmar, due realtà locali italiane con diffusione ancora limitata a poche città.

A parte troviamo la community “The Things Network” che offre liberamente la possibilità di collegare gateway privati alla loro piattaforme di gestione della rete in modo da permettere una rapida diffusione della connettività senza dover pagarebollette ad un particolare operatore per usufruirne. Ad Amsterdam è presente la loro più grande rete con una copertura quasi totale della città. The Things Network è presente anche a Torino con una rete piuttosto piccola ma che ha permesso la realizzazione dei test eseguiti nell’ambito del presente lavoro. Si elencano i canali disponibili nelle reti LoRaWAN di “The Things Network”.

Tabella 1 – Canali in uplink attualmente disponibili nelle reti LoRaWAN di The Things Network. Tratto dahttps://www.thethingsnetwork.org/wiki/LoRaWAN/Frequencies/Frequency-Plans (visitato 10/11/2017).

The Things Network

The Things Network è l’infrastruttura nata con lo scopo di gestire centralmente i vari dispositivi ed i dati inviati all’interno di una rete IoT basata su protocollo LoraWAN. Tipicamente in una rete IoT il gateway svolge la funzione di ponte tra specifici protocolli radio e internet, dove i pacchetti IP provenienti dai dispositivi vengono inoltrati se essi lo supportano. Nei dispositivi LoRaWAN invece è necessario una specie di elaborazione o routing prima che i messaggi possano essere consegnati ad un’applicazione; qui entra in gioco The Things Network il quale ha il compito di gestire le elaborazioni necessarie ed eseguire tutte le funzioni di routing in modo decentralizzato e distribuito, in questo modo ogniimplementazione è in grado di creare la propria rete e la propria parte del back-end, inoltre può partecipare alla rete della comunità globale.

Figura 1 – Architettura di rete LoRa – The Things Network.

All’interno della rete i dispositivi trasmettono messaggi tramite il protocollo radio LoRa dove il gateway riceve i messaggi e li inoltra al router. Ogni router è connesso ad uno o più broker che rappresentano la parte centrale de TTN; il; il Broker è un microservizio che identifica il dispositivo, deduplica il traffico e invia il pacchetto all’handler sul quale l’applicazione èregistrata; in pratica ha il compito di associare un dispositivo ad un’applicazione, , inoltrare i messaggi di Uplink all’applicazione corretta, inoltrare i messaggi di Downlink al router corretto che a sua volta li inoltra a un gateway. Anchel’Handler è un microservizio responsabile della gestione dei dati di applicazioni ed ha funzione di crittografia edecrittografia dei dati.

La scelta del numero di gateway da utilizzare è relativa al traffico di rete in quanto è necessario garantire scalabilità e ridondanza, infatti con più gateway è possibile ridurre la distanza rispetto ai dispositivi e quindi aumentare la velocità di trasferimento dati. Tutto ciò aumenta la capacità della rete supportato anche dall’utilizzo dell’algoritmo Adaptive DataRate (ADR) che esegue uno scaling automatico.

Figura 2 – Distribuzione gateway.

La Things Network è una rete pubblica altamente sicura che supporta la vera crittografia end- to-end, le attenuazioni contro i vari attacchi man-in-the-middle e il supporto di diverse chiavi di crittografia a 128 bit per ogni singolo dispositivo finale. LoRaWAN applica il controllo dell’integrità dei messaggi AES a 128 bit e la crittografia del carico utile. I payload sono completamente criptati tra il Nodo e il componente Handler del backend. Ciò significa che si può scegliere di gestire il proprio Handler privato e disporre di una vera e propria crittografia end-to-end. I componenti Router e Broker instradano i dati sulla base di metadati pubblici e non possono decifrare il carico utile effettivo.

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