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Majo IoT: monitoraggio di campi elettromagnetici e di
grandezze ambientali
STUDENTI : Federico Coppola, Andrea Rodella, Giovanni Sinigaglia
(Dipartimento di informatica e telecomunicazioni)
DOCENTI COORDINATORI: Prof. Ferdinando Sanpietro, Prof. Vito Rosiello
TEMATICHE: Misure e IoT in ambito industriale
Abstract
Il sistema di misura Majo IoT (Internet Of Things) realizzato permette di misurare sia
l’inquinamento elettromagnetico, legato ai sistemi wireless Wi-Fi, sia i parametri ambientali di un
ambiente e di visualizzarli in tempo reale su un sito Web di Internet http://iot.itismajo.it. La misura
delle grandezze fisiche legate all’inquinamento elettromagnetico wireless, come il campo elettrico
e il campo magnetico, coinvolgono notevoli costi, il più delle volte, ben difficilmente sostenibili da
un istituto scolastico. L’idea alla base del sistema Majo IoT è quella di poter stimare
l’inquinamento elettromagnetico Wi-Fi usando strumenti con il costo minore possibile, ma allo
stesso tempo poter fornire utili indicazioni con una incertezza di misura limitata. A tal fine si è
scelto di fondare il sistema di misura su dispositivi open source Arduino e sulle loro schede di rete
Wi-Fi. Sempre ai fine di limitare i costi, si sono scelti dei sensori di parametri ambientali, come
temperatura, umidità e luminosità, che fossero un buon compromesso tra costi e prestazioni di
misura ed, in particolare, la loro incertezza.
La figura che segue presenta un esempio di un prototipo di sistema Majo IoT in azione posizionato
nelle vicinanze di un access point Wi-Fi di cui era necessario monitorare il suo impatto
sull’inquinamento elettromagnetico dell’ambiente.
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FIGURA 1 – IL PRIMO PROTOTIPO DI SISTEMA DI MISURA E MAJO IOT IN AZIONE
Un sistema Majo IoT può essere “clonato” in modo da realizzare molti sistemi di misura per poter
monitorare in tempo reale più punti dello stesso luogo, più luoghi differenti dello stesso edificio
oppure punti diversi di edifici differenti. Infine sono in fase di sviluppo nuove funzionalità per Majo
IoT sui fronti sia software sia hardware. Per lo sviluppo software, si sta studiando un nuovo
sistema di messaggistica come Telegram, basato sulla tecnologia dei bot, al fine di aggiungere
funzionalità applicabili alla domotica. L’hardware verrà ulteriormente migliorato grazie allo
sviluppo di un nuovo contenitore (case) per il sistema realizzato con le nuove tecnologie della
modellazione e stampa 3D.
Progetto del sistema Majo IoT
Ogni sistema di misura Majo IoT è formato da una stazione in grado di misurare i parametri della
potenza Wi-Fi del luogo e alcuni parametri ambientali. I principali parametri elettromagnetici
misurati sono: il campo elettrico, il campo magnetico e la potenza totale del campo
elettromagnetico incidente sulla scheda. Tra i parametri ambientali abbiamo scelto di misurare i
principali come: la temperatura, l’umidità ambientale e la luminosità dell’ambiente. L’hardware
del sistema di misura è fondato su Arduino, mentre il firmware è stato scritto con il linguaggio C
dello stesso Arduino. Il sistema di misura deve soltanto poter accedere alla rete Wi-Fi del luogo di
misura dopodiché è completamente autonomo ed automatico. Una volta posizionato il sistema,
Majo IoT inizia subito a misurare e quindi a trasmettere tutte le misure elettromagnetiche e
ambientali via Internet usando la connessione alla rete Wi-Fi configurata. Le misure trasmesse via
Internet sono memorizzate in un server di database del nostro Istituto è quindi a disposizione per
il loro accesso remoto. Il database con le misure può essere quindi interrogato da qualsiasi
computer client di Internet, che in tempo reale può visualizzare le misure trasmesse. Ci siamo
anche occupati dello sviluppo di tutto il software del sito Web http://iot.itismajo.it, sempre del
nostro Istituto, che permette di visualizzare in grafici e/o in modo tabellare le misure memorizzate
nel server di database. La figura che segue presenta un esempio di visualizzazione dei dati del
monitoraggio sempre disponibile all’URL http://iot.itismajo.it/yun/show_data.php?device=1
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FIGURA 2 – UN ESEMPIO DI MONITORAGGIO IN TEMPO REALE
Progettazione 3D del case di Majo IoT
Grazie alle tecnologie di modellazione 3D e alla stampa 3D, è stata possibile la realizzazione di un
prototipo di contenitore per Majo IoT ispirandoci ai numerosi modelli disponibili nella community
di Arduino. Realizzato in ABS tramite stampa a deposizione fusa, il contenitore ha lo scopo di
proteggere i componenti interni del dispositivo per garantire il corretto funzionamento in ogni
condizione, garantendo la corretta misurazione dei dati senza sfalsare i valori misurati.
FIGURA 3 – PROGETTO DEL CASE DI MAJO IOT CON LE TECNOLOGIE DI MODELLAZIONE 3D E DELLA STAMPA 3D
Il sistema di misura
La misurazione dei campi elettrici e magnetici irradiati presenti in un determinato spazio è
fondata sui concetti alla base della teoria della propagazione di onde elettromagnetiche. Data la
grande diffusione di sistemi Wi-Fi, gran parte delle misurazioni si è focalizzata nella gamma di
frequenze tra 2,4 GHz e 2,5 GHz. Arduino fornisce una indicazione della potenza disponibile
ricevuta dalla scheda Wi-Fi integrata sulla scheda stessa. Partendo dalla potenza disponibile sul
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ricevitore in dBm e ipotizzando un diagramma di irradiazione dell’antenna del ricevitore di
Arduino, si può ottenere la densità di potenza incidente del campo elettromagnetico e quindi il
valore dell’intensità del campo elettrico in volt al metro e la misura del campo magnetico in
ampere al metro. Per verificare le misure di potenza del campo elettromagnetico, si è utilizzata un
misuratore di potenza elettronico e uno strumento (costoso) di misura di campi EM a disposizione
dell’Istituto.
Majo IoT in azione
Tutti i dati elettromagnetici e ambientali misurati sono trasmessi in tempo reale a un server di
database dell’Istituto http://iot.itismajo.it che le rende disponibili per la loro consultazione in
forma tabellare oppure in forma grafica in periodi lunghi oppure brevi scelti dall’utente del sito
Web. Una opportuna sezione del sito http://iot.itismajo.it/yun/graph.html permette di
confrontare le misure in periodi diversi e scelti dagli utenti.
FIGURA 4 – UN ESEMPIO DI MONITORAGGIO IN UN INTERO MESE
Telegram per l’accesso ai dati e domotica
La modalità di accesso mostrata precedentemente consente certamente di avere una visione della
situazione ambientale e dei campi elettromagnetici prodotti dal Wi-Fi. Tuttavia in alcuni casi,
soprattutto se si è in mobilità, può risultare difficile visualizzare gli ultimi dati ambientali sia per
condizioni di bassa velocità, per quanto riguarda la connettività, sia a causa dell’eventuale
scomodità della visualizzazione dei grafici su uno schermo di piccole dimensioni come quello di
uno smartphone. La soluzione proposta è quella di utilizzare un sistema di messaggistica
multipiattaforma e open-source come Telegram, sfruttando la tecnologia dei bot.
Essa consente all’utente di interagire con il sistema attraverso una semplice chat utilizzando dei
comandi predefiniti, tramite i quali si otterrà in risposta la temperatura, l’umidità, la quantità di
luce e la potenza del wireless. Questa tecnologia offre la possibilità di ampliare le funzionalità del
sistema IoT integrando e aggiungendo funzionalità applicabili alla domotica, come l’accessione di
luci da remoto, rappresentato in questo prototipo da un semplice e comune diodo LED.
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Conclusioni
La diffusione delle tecnologie SW/HW per la comunicazione di dati via Internet ha aperto ampi
orizzonti di ricerca al fine dello sviluppo di sistemi di misura real-time in grado di effettuare
monitoraggi dei fenomeni naturali o artificiali più disparati. IL sistema Majo IoT si propone come
prototipo di esempio di questo tipo di sistema di misura. Gli autori pensano a questo progetto
come un punto di partenza di ricerca per lo studio di tecniche hardware e software sia innovative
sia già consolidate. Lo dimostra la seguente riflessione. Questo progetto nasce circa due anni fa,
eppure in questo periodo ha già subito molte trasformazioni sia nell’hardware utilizzato sia nel
software, che ci hanno permesso di studiare e approfondire le tecnologie attuali e quelle che
verranno in futuro.