Università degli studi di Siena
Facoltà di Ingegneria
Corso di Ingegneria delle Telecomunicazioni - Sistemi Multimediali e Telematica
Progettazione e realizzazione di
Ambient Electronic Devices
per condivisione
di informazioni multimediali
basati su un sistema
di sensori capacitivi
Relatore:
Tesi di Laurea di:
Prof. Alessandro Andreadis
Correlatore:
Ing. Pasquale Fedele
Anno Accademico 2011 - 2012
Gabriele Necco
Indice
1. Introduzione
3
1.1. Azienda Liquidweb
3
2. Ambient Electronic Devices
6
2.1. Smart Cities
9
2.1.1. Olimpiadi di Londra
14
2.1.2. Esempi di Smart Cities
15
2.2. Progetto WiMove
18
2.3. Cloud Computing
20
2.4. Controllo di Ambienti e Domotica
24
3. Progetti
28
3.1. Caratteristiche dei Progetti
29
3.2. Tecnologie Impiegate
29
3.2.1. Fisica dei Capacitori
29
3.2.1.1.
Capacità Elettrica
30
3.2.1.2.
Materiali Dielettrici
30
3.2.1.3.
Condensatore a Facce Piane
33
3.2.1.4.
Capacità Parassita
35
3.2.1.5.
Elettrofisiologia ed Effetto Capacitivo
36
3.2.2. Caratteristiche dei Sensori Utilizzati
37
3.2.2.1.
Arduino
38
3.2.2.2.
Sensori Capacitivi
39
3.2.2.3.
Composizione e Funzionamento
40
3.2.2.4.
Librerie e Metodi
41
3.2.2.5.
Scelta del Resistore
43
3.2.2.6.
Messa a Terra
44
-1-
3.2.2.7.
Messaggi di Errore
44
3.2.3. Sistema Illuminante
44
3.2.3.1.
Fonti Luminose
45
3.2.3.2.
LED – Trattazione Generale
47
3.2.3.3.
Caratteristiche dei LED Utilizzati
50
3.2.3.4.
Controller RGB e Circuiti di Potenza
52
3.2.4. Riflessione / Rifrazione
54
3.2.5. SmartControl
57
3.3. WiTube
57
3.3.1. Versioni Precedenti
59
3.3.2. Ambiti di Utilizzo
62
3.3.3. Modifiche Introdotte
66
3.3.4. Stati e Funzionamento del Sistema
75
3.3.5. Problematiche Incontrate
81
3.4. WiMirror
83
3.4.1. Ambiti di Utilizzo
84
3.4.2. Apparato e Sensori
85
3.4.3. Stati e Funzionamento del Sistema
88
3.4.4. Problematiche Incontrate
90
4. Conclusioni e Ringraziamenti
92
Materiale Consultato per l'Elaborazione della Tesi
93
-2-
1. Introduzione
Il seguente lavoro di tesi tratta la progettazione e lo sviluppo di due Ambient Electronic
Devices, un'innovativa classe di dispositivi elettronici, capaci di farci cogliere il loro
funzionamento istantaneamente:
 WiTube, una lampada interattiva multimediale;
 WiMirror, uno specchio multimediale dotato di pellicola riflettente unilaterale.
Tali sistemi sono stati sviluppati per poter rispondere all’esigenza sempre crescente di
dispositivi “intelligenti” che possano interagire con l’utente in modo intuitivo, in questo
caso attraverso un sistema di sensori capacitivi controllati da un’unità Arduino.
I sistemi sono capaci di fornire dei feedback visivi e sonori e di attivare varie applicazioni
multimediali (riproduzione di podcast, webradio, meteo, informazioni, eventi, ecc).
L'ambiente di utilizzo può essere uno spazio pubblico, domestico o lavorativo, qualsiasi
luogo dove è possibile una facile interazione con gli utenti.
L’attività di progettazione e sviluppo è stata condotta nell’ambito di un tirocinio presso
l’azienda Liquidweb, di cui segue una breve presentazione.
1.1.
Liquidweb
Liquidweb nasce con la vocazione di portare e rendere altamente fruibili nel mondo reale,
in modo pervasivo, liquido, le tecnologie ICT.
Il focus dell’azienda, da un punto di vista tecnologico è sui mobile services, le tecnologie
pervasive (smart environments, Internet of Things, Brain-Computer Interfaces) ed il
cloud computing.
Gli ambiti operativi sono tre:
 Mobile Business: sviluppo di applicazioni per smartphone e tablet (iPhone, iPad,
dispositivi Android, Blackberry, Windows Mobile, ecc.) per soluzioni di business
mobility che integrano funzionalità di georeferenziazione, sincronizzazione con
-3-
sistemi legacy e mobile payments, per applicazioni di CRM, field service, gestione
flotte, work force management e sales force automation.
 Healthcare: soluzioni di mobile health (rivolte a pazienti ed operatori sanitari),
sistemi di Brain-Computer Interface (BCI) applicate a tecnologie assistive
(interfacce celebrali per il controllo di dispositivi elettronici e la comunicazione).
 Smart Environments: realizzazione di ambienti intelligenti ed interattivi dotati di
sensori, tecnologie wireless e sistemi embedded. Ciò mediante l’integrazione, in
ambienti ed oggetti di uso comune, di tecnologie in grado di monitorare ambienti
ed erogare contenuti informativi e di intrattenimento acquisiti tramite la rete
Internet.
I progetti di ricerca e sviluppo che Liquidweb porta in dote dalla sua nascita sono:
 BrainControl è un sistema di controllo basato sulla rilevazione degli impulsi
elettrici del cervello attraverso una cuffia BCI provvista di sensori di
elettroencefalografia (EEG) ad alta risoluzione. Il sistema trasferisce alcuni
pensieri (12 tipi di pensieri coscienti del movimento: sinistra, destra, su, giù,
spingere e tirare, rotazioni, ecc.) che possono essere usati come una sorta di
joystick mentale da applicare a molte applicazioni.
Il sistema è nato per le persone affette da sclerosi laterale amiotrofica (SLA),
questo permetterebbe loro di controllare oggetti con la mente, ad esempio un
comunicatore, domotica, dispositivi (luci, porte, finestre, allarmi, temperatura,
posizione letto), sedie a rotelle.
 GeoAlert è una piattaforma per la ricezione e la segnalazione di alert
geolocalizzati. Si pensi ai tanti avvisi legati ad emergenze alimentari (partite di
cibo avariato, acqua non potabile, ecc.), ambientali (alluvioni, terremoti, incidenti,
ecc.), o ad informazioni utili quali interruzione di servizi di pubblica utilità (acqua,
luce, gas, trasporti, ecc.) e molto altro. L’utente definisce la tipologia di alert che
vuole ricevere, il canale (sms, e-mail, telefono, social network, ecc.), l’area
geografica e gli alert arriveranno puntuali e filtrati secondo le sue preferenze.
-4-
 WiTube è una lampada interattiva, multimediale che integra una connessione
WiFi per l'accesso ad Internet e la fruizione di contenuti Web (podcast, webradio,
informazioni, eventi, ecc.). Il controllo è di tipo touchless e remoto, il primo
mediante interazione basata su gesti dell’utente, il secondo mediante smartphone
(iPhone ed Android).
Il fondatore ed attuale CEO è Pasquale Fedele, laurea in Ingegneria Informatica presso
l'Università degli studi di Siena e Master universitario di II livello "E2C" presso il Centro
Interdipartimentale per lo Studio dei Sistemi Complessi nella stessa università.
La strategia è quella di puntare sull’attività di consulenza per far crescere l’azienda e
mettere a punto nel frattempo dei prototipi avanzati dei tre progetti da proporre a
potenziali partner finanziari ed industriali. L’attività di consulenza in tali ambiti ha
consento all’azienda di svilupparsi, farsi conoscere e creare un team di lavoro affiatato e
consapevole delle proprie capacità.
Le tappe principali del 2011, primo anno di attività, sono state:
 la partecipazione, a seguito di una selezione, al Boot Camp di Intesa Sanpaolo
Start-Up Initiative, nel mese di giugno;
 nello stesso mese, l’invito a partecipazione a Frontiers of Interaction, per
presentare il prototipo di BrainControl. Partecipazione che ha suscitato molta
curiosità e visibilità;
 la partecipazione a Smau Milano, nel mese di settembre, con lo Speed Dating e la
vincita del primo premio “Percorsi dell’Innovazione”;
 il conseguimento dell’attestato “Italia degli Innovatori”, dell' “Agenzia per la
diffusione delle tecnologie per l’innovazione”, con la partecipazione, a novembre,
alla missione in Cina.
Infine nel corso del 2012 l'azienda è stata finalista a Mind the Bridge in Silicon Valley e
tra le 10 finaliste come “Startup dell’Anno 2012” nell’ambito della selezione organizzata
dal PNI Cube.
-5-
2. Ambient Electronic Devices
Gli Ambient Electronic Devices (AED) sono un nuovo genere di elettronica di
consumo, caratterizzata dalla loro capacità di poter essere percepiti a "colpo d’occhio"[1].
Utilizzano l'elaborazione pre-attentive per visualizzare le informazioni: la possibilità per
il cervello di percepire le informazioni senza alcun apparente carico cognitivo.
Il New York Times Magazine ha annunciato gli AED come una delle idee dell'anno 2002
sulla scia di una start-up aziendale, la Ambient Devices.
Il loro primo prodotto è l'Orb Ambient, una lampada a sfera di vetro smerigliato che
assume colori diversi in base all'andamento dei titoli azionari, fornendo all'utente
un'informazione immediata e intuitiva.
Un nuovo interessante prodotto è l'Energy Orb, dispone di uno schermo LCD inglobato
in una sfera di vetro smerigliato che varia colore in base alla domanda di energia.
Durante i periodi di forte richiesta (quando l'elettricità è più costosa) assume una tonalità
rossa e, in modo divertente, incoraggia i clienti a risparmiare energia.
L'Energy Orb riceve i segnali dalla Ambient Information Network, una rete di
distribuzione dei servizi in modalità wireless. Tale dispositivo viene utilizzato in molte
situazioni per visualizzare il carico sulla rete, gestire la propria domanda ed evitare
abbassamenti di tensione.
-6-
Una versione Zigbee dell'Energy Orb è disponibile anche per gli utenti che vogliono
usufruire dei dati delle proprie misurazioni.
Simile all'Energy Orb, l'Energy Joule visualizza il prezzo corrente di energia e il livello
di consumo in casa. Se assume colore rosso, indica un prezzo elevato dell'energia e
incoraggia l'utente a spostare il suo consumo in un'altra fascia oraria. Il giallo indica un
prezzo leggermente al di sopra della media e incoraggia ancora la riduzione della
richiesta, il verde invece indica che il prezzo è al di sotto della media e incentiva l'utilizzo
in queste fasce orarie.
Oltre alla retroilluminazione colorata, l'Energy Joule ha uno schermo con due barre: una
mostra il prezzo in tempo reale per kW, l'altra indica la quantità di energia in tempo reale
utilizzata nell'abitazione. Lo schermo è anche in grado di visualizzare le previsioni meteo
giornaliere. Tutto questo fornisce una qualità "green" al dispositivo, che lo rende prezioso
per il consumatore, il quale può regolare i propri consumi in tempo reale avendo un
riscontro immediato sui prezzi e sui propri consumi. Evitando i momenti di maggior
richiesta di elettricità si otterrà un cospicuo risparmio di denaro.
-7-
Un altro semplice ma interessante prodotto sviluppato dalla stessa ditta è l'Ambient
Umbrella, un ombrello che, attraverso dei sensori al suo interno ed un LED contenuto
nel manico, informa l'utente di un cambiamento climatico attraverso la colorazione del
manico stesso. Possiamo notare come l'interazione con questo apparecchio sia immediata
e intuitiva.
Da allora anche altre aziende si sono cimentate nella produzione degli AED, fra questi c'è
il Wifi-Enabled Chumby. Si tratta di un computer embedded che fornisce accesso a
Internet e LAN tramite una connessione Wi-Fi. Attraverso questa connessione, il
Chumby esegue vari widgets. Simile a una piccola radio sveglia, è composto da un touchscreen con rivestimento in pelle e plastica. L'alimentazione avviene tramite rete elettrica e
se scollegato è provvisto di una batteria da 9 volt come alimentazione di backup. Il
Chumby è stato progettato per essere personalizzabile da parte degli utenti ed è stato
nominato dalla rivista Wired Chumby uno dei suoi migliori gadget per il 2008. Il suo
software è in gran parte open source, in esecuzione su Linux.
-8-
Il principale vantaggio degli AED è la facilità d'uso. Tutti possono accedere a una grande
varietà di servizi, sia persone che hanno poca familiarità con display o dashboard, come
gli anziani, sia persone che non possono permettersi un PC e connessioni a banda larga.
Questi dispositivi utilizzano feedback diversi per poter catturare l'attenzione dei
consumatori, attraverso suoni, luci, colori, invogliandoli ad interagire con loro in modo
nuovo e piacevole.
La categoria degli AED, sfruttando le reti di scambio dati presenti, costituirebbe uno dei
layers intermedi all'interno di realtà come la Domotica e le Smart Cities. Tali tecnologie
sarebbero alla portata di tutti, facendo adeguare le nostre abitudini alle esigenze dei vari
sistemi senza alcuno sforzo cognitivo.
Queste ed altre macrotecnologie verranno descritte in seguito evidenziando esempi e
progetti sviluppati in tutto il mondo.
2.1.
Smart Cities
Si sente spesso l’espressione Smart City, ma che cos’è davvero una “città intelligente”?
“We shape our buildings; thereafter they shape us”
Winston Churchill
La citazione fatta da Winston Churchill introduce la realtà delle Smart City in un modo
diverso, con una certa ambizione: “Siamo noi che diamo la forma ai nostri edifici, ma
sono gli edifici che poi modellano la nostra vita" [2]. Questo concetto è estremamente
importante, in quanto viene perennemente verificato nelle nostre città.
Il modo di pensare e di costruire una città si deve basare sul coordinamento degli
individui, in modo da collegare le diverse forme di intelligenza presenti.
Gli strumenti permettono al cittadino di connettersi all’interno della comunità e di
coordinarsi in modo intelligente; si tratta dunque di tecnologie la cui funzionalità è quella
di aumentare la capacità di pensiero individuale e collettiva.
-9-
Tutti i sistemi di informazione esistenti fanno già parte degli elementi di intelligenza
collettiva, i quali possono essere costituiti da media, mercati finanziari, e anche la città
stessa ne fa parte.
In qualche modo la città risulta la piattaforma di sviluppo di applicazioni, e i cittadini
sono i loro creatori. Se la città risultante è una rete che, oltre a connettere i diversi
individui, permette alle applicazioni integrate di sfruttarla per l'abbattimento dei costi e
dei consumi e di migliorare la vita degli abitanti, allora si può definire “intelligente” e
quindi “Smart” [3].
Per poter creare una realtà così definita occorrono una serie di accorgimenti:
 ogni elemento della rete deve essere interconnesso in modo efficiente;
 ogni elemento generatore di dati deve poterli offrire all’intera comunità in maniera
pubblica;
 il sistema non deve prevedere alcun controllo sulla libertà degli individui;
 ogni individuo deve avere la possibilità di contribuire al miglioramento del
sistema con il proprio servizio;
 attraverso dei sensori si possono generare dati utili che vengono condivisi con
l’intera comunità.
Deve essere costruito uno strato di interconnessione tra i sistemi già presenti (denaro,
trasporti, comunicazioni) e quelli da integrare (sensori, sicurezza, privacy). Una specie di
sistema nervoso che permetta lo scambio e l'integrazione di dati e servizi.
Grazie a questa visione è facile capire che la Smart City non si occupa quindi delle
applicazioni e dei dispositivi, ma propone un modo per permettere ai cittadini di
svilupparli. Un esempio sono gli Ambient Electronic Devices, o in un'ottica superiore la
Smart Grid, una rete elettrica digitale che permette di raccogliere, distribuire e agire sulle
informazioni delle abitudini energetiche dei cittadini. La rete elettrica diventa così una
collaborazione tra i consumatori e i produttori di energia, consentendo di condividere, ad
esempio, il surplus di energia prodotta tramite fonti rinnovabili che altrimenti andrebbe
sprecata. L'obiettivo è quello di migliorare l'efficienza dell'approvvigionamento
- 10 -
energetico, oltre a rendere la casa, il posto di lavoro, i luoghi pubblici, attenti alle
opportunità che questa offre.
In una città intelligente si avrebbe quindi una migliore qualità della vita, gli spostamenti
urbani sarebbero più agevoli, ci sarebbe un maggior risparmio energetico e delle risorse
in generale.
I punti fondamentali di tale città sono:
 smart mobility;
 smart economy;
 smart environment;
 smart people;
 smart living;
 smart governance.
Tutto questo è possibile solo attraverso un sistema di comunicazione capillare, pubblico e
che permetta un facile accesso: la rete Internet rappresenta la soluzione.
In passato, quando Internet aveva cominciato a far parte della nostra vita, molti parlavano
di “death of distance”, ovvero l’annullamento delle distanze del mondo reale. In realtà, da
allora il numero delle persone che vivono in aree urbane è aumentato costantemente, fino
ad arrivare nel 2008 al 50% della popolazione mondiale.
Tuttavia, la rete ha contribuito a trasformare profondamente le città, rendendo sempre più
evidente la dipendenza reciproca. In questi spazi è possibile raccogliere una gran quantità
di dati e renderli disponibili alla popolazione proprio attraverso la rete, in maniera
pubblica e gratuita.
E’ quindi necessario un sistema che consenta a chiunque sia abilitato di poter interagire
con i dati, ed è doveroso un processo di elaborazione e standardizzazione guidato da un
ente pubblico. I dati possono poi essere utilizzati da parte degli abitanti o
dell’amministrazione pubblica per la creazione di applicazioni.
Il principale errore compiuto, è credere che la sola introduzione di determinati servizi
evoluti per l’infomobilità, per il controllo energetico o per la sicurezza urbana implichino
che la città sia “Smart”.
- 11 -
In realtà non è così, ovviamente questi servizi sono molto utili, ma se sono concepiti in
maniera indipendente, rischiano di essere inefficienti o addirittura inutilizzabili.
Se per esempio, nel fornire un servizio di infomobilità, si includono solo servizi di
pianificazione e ottimizzazione del flusso di traffico, senza però progettare un sistema di
raccolta (in tempo reale) e elaborazione dei tanti dati necessari (la maggior parte in forma
anonima per la privacy dei cittadini), il servizio risulterebbe inutilizzabile.
Questa situazione mostra chiaramente la strada da seguire per la realizzazione di una
smart city. E’ necessaria l’integrazione e la condivisione dei dati e dei servizi per
permettere la nascita di funzioni evolute.
Rimanendo sull’esempio dell'infomobilità è possibile che i dati vengano forniti da ditte di
antifurti satellitari, da operatori telefonici, i quali riescono a tracciare la posizione dei
dispositivi mobili in base alla triangolazione delle celle, da sistemi GPS installati su
mezzi pubblici, o dai cittadini stessi.
E’ quindi essenziale che i servizi a valore aggiunto per i cittadini siano: disponibili alla
maggior parte delle persone (attraverso connessioni wireless o postazioni fisse), definiti
da un modello di cooperazione e di scambio dati, definiti da applicazioni e/o dispositivi.
In questo modo si è certi che il sistema porti reali benefici agli utilizzatori; dal punto di
vista tecnico si tratta di promuovere applicazioni e dati open source.
Esistono diverse soluzioni ottenibili, in alcuni casi sfruttando i medesimi dati, per
esempio fornire informazioni sui ritardi dei mezzi pubblici e allo stesso tempo
segnalando eventuali ingorghi nel traffico.
Il problema maggiore risulta quindi la diffusione dei dati e delle applicazioni; un sistema
capace di gestire una mole così ingente di informazioni presenterebbe enormi problemi,
sia dal punto gestionale, energetico e realizzativo.
L’evoluzione di internet ha creato la necessità di utilizzare server sempre attivi e custoditi
in locazioni sicure e un utilizzo massiccio del computing remoto. Le prime applicazioni a
richiedere una tale tecnologia sono state le applicazioni web-based (Google Docs,
Salesforces) e i metodi di distribuzione software (Apple Store).
Una Smart City presuppone un’infrastruttura in grado di supportare tutte le applicazioni
di controllo e monitoraggio che ne stanno dietro, un sistema in grado di comandarle
- 12 -
richiede ingenti quantità di risorse, elevati requisiti energetici, un raffreddamento
costante, e soprattutto una spesa elevata.
Le applicazioni e i dati possono essere disponibili tramite tecnologie di Cloud
Computing, un sistema di virtualizzazione che permette un bilanciamento delle risorse in
modo da ridurre i costi e aumentare l’efficienza dei server.
Le più grandi aziende del settore sfruttano ormai da anni questa tecnologia, la grande
proliferazione di servizi l'ha resa accessibile e, in caso di prodotti entry level, gratuita.
Alcune applicazioni utilizzabili nelle future Smart Cities si sono sviluppate seguendo
questo concetto, alcuni esempi sono:
 Waze, un sistema di navigazione GPS per smartphone che si basa sulle
segnalazioni degli stessi utenti (crowdsourcing); sfrutta una rete di distribuzione
per la condivisione di informazioni anonime su velocità e posizione degli utenti
per fornire dettagli sul traffico in tempo reale;
 Open Table permette di effettuare prenotazioni online ai ristoranti in modo rapido,
gratuito e segnalando immediatamente la disponibilità di posti liberi;
 Trash Track è un sistema di monitoraggio dei rifiuti differenziati attraverso
etichette elettroniche, in modo da permettere un corretto smaltimento;
 a Singapore un software fornisce una serie di informazioni: informa i cittadini su
quale percorso è meno trafficato, il meteo aggiornato a misura di quartiere,
prenotazione di taxi, avviso sui consumi di energia, ed altro ancora.
Tutti i dati rilevati consentono al cittadino di partecipare all'intero sistema, i
comportamenti si modificano in base alla realtà da cui l'individuo è circondato,
divenendo così un contagio sociale.
In Italia esiste un'applicazione chiamata Decoro Urbano che permette ai cittadini di
segnalare ogni forma di degrado della propria città. In questo senso il comune avrà
enormi benefici; i cittadini contribuiranno nella segnalazione di eventuali buche presenti
nelle strade, di affissioni abusive, di rifiuti abbandonati, tutto visualizzabile con chiarezza
su una mappa interattiva, per permettere così agli addetti di intervenire tempestivamente.
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In Gran Bretagna, dove a breve si svolgeranno le Olimpiadi di Londra, una delle nuove
applicazioni rivoluzionarie è Fix My Transport. Permette gratuitamente di segnalare
eventuali malfunzionamenti di tutta la linea di trasporti, anche in questo caso migliorando
sensibilmente l'efficienza nell'eventuale riparazione o sostituzione dei mezzi.
In questo modo si rendono i cittadini gli artefici del miglioramento e dell'ottimizzazione
delle proprie città, permettendo di valorizzare il patrimonio esistente, correggendo errori
urbanistici e permettendo di aumentare l'efficienza delle infrastrutture esistenti.
Il concetto di Smart City si estende su una vasta gamma di soluzioni, Londra ad esempio
sta cogliendo bene il senso di "Smart", costruendo un parco olimpico all'avanguardia e
che renda più interessante l'esperienza dei giochi, garantendo un ambiente piacevole,
tecnologicamente avanzato e rispettoso dell'ambiente.
Gli esempi in tutto il mondo sono molteplici e in continuo sviluppo, mostrando grande
interesse all'innovazione e alla qualità da offrire ai propri cittadini.
2.1.1.
Olimpiadi di Londra
Durante le Olimpiadi di Londra, oltre alle tante gare sportive, sarà possibile ammirare la
prima vera realtà di Smart City [4]. Cuore del sistema applicato alla nuova città hi-tech,
costruita a Greenwich, è lo Urban OS, un sistema operativo che opera in maniera locale e
gestisce tutte le infrastrutture. Sarà capace di monitorare in tempo reale la rete idrica, il
sistema di trasporti e dell'energia attraverso l'elaborazione dei dati rilevati da sensori.
Verranno "connessi" tra loro palazzi, lampioni, aziende, sanità, e tutti i sistemi presenti in
un ambiente urbano faranno parte di una sola rete di comunicazione gestita dal medesimo
software.
Per poter realizzare un tale sistema è stato necessario progettare lo Urban OS in maniera
estremamente robusta: questo costituisce una priorità che permette di soddisfare
l'esigenza di controllare sistemi fondamentali, come quelli sanitari.
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Tuttavia, nonostante gli enormi vantaggi e l'elevato risparmio energetico, bisogna fare in
modo che la privacy delle persone non venga violata, è quindi necessario rendere i dati
assolutamente anonimi.
Grazie a questa grande mole di dati è possibile sviluppare applicazioni di ogni genere.
Alcuni esempi sono: rendere disponibili, sul proprio tablet o smartphone, informazioni su
eventuali congestioni del traffico, l'acquisto di biglietti direttamente alla fermata tramite
chip NFC (Near Field Communication), la conoscenza in tempo reale della disponibilità
di parcheggi o di biciclette per il noleggio.
Il centro urbano viene reso "intelligente" dalle tecnologie informatiche e delle TLC.
Il sistema è complesso, il segreto sta nel fornire dati tramite portali locali della pubblica
amministrazione e renderli facilmente accessibili. In tal modo il laboratorio che creerà le
applicazioni sarà la città stessa, in base alle proprie esigenze.
Con l’obiettivo di ridurre l’impatto ambientale delle Olimpiadi di Londra, sono state
installate 120 stazioni di ricarica per veicoli elettrici, insieme alla disponibilità di 200
vetture elettriche per gli spostamenti degli atleti e dei dirigenti. Un modo per cercare di
rendere più pulita l'aria di una delle città più inquinate e trafficate al mondo e, allo stesso
tempo, per rendere consapevoli i cittadini dello sviluppo di tali tecnologie.
2.1.2.
Esempi di Smart Cities
In tutto il mondo stanno nascendo diverse realtà di Smart Cities, in Europa uno degli
esempi più importanti viene dalla Germania, la città di Mannheim sotto il progetto
denominato MoMa (Model City Mannheim).
Dopo aver svolto molti esperimenti nelle città di tutto il paese, l'interesse nelle smart
cities ha portato allo sviluppo del sistema E-Energy, capace di far comunicare fra loro
utenze domestiche e produttori di energia. Si sono poste così le basi per la costruzione di
una Smart Grid.
- 15 -
Tramite questo progetto, Mannheim è riuscita a garantire un elevato livello di stabilità
dell'approvvigionamento energetico combinato ad un grande risparmio, evitando inutili
sprechi attraverso una combinazione di produzione di energia centralizzata (pannelli
solari domestici, mini eolico) e decentralizzata (centrali elettriche).
Il grande vantaggio della smart grid in MoMa è quello di combinare avanzati apparati di
comunicazione, di rilevamento e di misurazione, delle infrastrutture con la rete elettrica
esistente.
Uno di questi apparati è l'Energy Butler, uno strumento in grado di visualizzare il
consumo energetico di un'abitazione o di un'azienda. E' possibile impostarlo in modo tale
da sfruttare l'energia in eccesso prodotta da fonti rinnovabili o nei momenti in cui il
prezzo di energia è basso.
In questo modo è possibile avere un'ottimizzazione dell'energia senza che ci siano
differenze nel livello di confort da parte dell'utilizzatore e assicurandogli il controllo
totale del sistema.
L'utilizzo di smart grid implica inoltre la creazione di un mercato di energia basato sulla
concorrenza dei prezzi, possibile grazie al monitoraggio dei consumi e dalla quantità di
consumatori e di fornitori presenti sulla rete di distribuzione.
Applicare queste tecnologie d'altro canto è molto costoso, inoltre per il corretto
funzionamento c'è bisogno di consumatori interessati a integrare il sistema nella loro vita
quotidiana. In futuro, quando la tecnologia sarà ulteriormente sviluppata, questi sistemi
saranno totalmente integrati nelle nostre abitazioni e riusciremo ad adeguare le nostre
abitudini ad essi.
Oltre al progetto MoMa, nel mondo, sono in sviluppo altre soluzioni.
Un esempio è Masdar City, letteralmente "La Città Sorgente". E' in fase di costruzione
ad Abu Dhabi negli Emirati Arabi Uniti. A differenza di Mannheim che è stata adattata
alle nuove tecnologie, in questo caso la città è stata fin da subito "pianificata" sulle basi
di una smart city.
- 16 -
Masdar City è una città moderna, offre un'alta qualità della vita con un'impronta
ecologica estremamente bassa. Pur essendo uno dei paesi leader petroliferi mondiali,
l'apporto energetico della città avverrà esclusivamente tramite un parco solare, pannelli
solari termici, impianti eolici e geotermici. Tutto questo farà risparmiare alla città oltre 2
miliardi di dollari l'anno. Avrà un'economia a zero emissioni, un sistema totalmente privo
di rifiuti e con un tasso elevatissimo di riciclaggio.
La mobilità sarà affidata esclusivamente al PRT (Personal Rapid Transit), un sistema di
trasporto elettrico automatizzato senza conducente, totalmente a impatto zero. Le normali
auto non potranno circolare.
La città inizialmente ospiterà 50000 persone, 1500 imprese e un polo universitario
realizzato in collaborazione con il Massachusetts Intitute of Technology, il Masdar
Institute of Science and Technology, dove verranno effettuati studi e ricerche nel campo
delle energie rinnovabili.
Masdar City punta a diventare l'esempio da seguire a livello mondiale, sperimentando
nuove tecnologie e creando una piattaforma commerciale senza precedenti.
All'interno saranno ospitate le sedi di alcune delle più importanti compagnie
internazionali, tra queste spicca la General Electric, un partner strategico che costruirà il
primo centro Ecomagination nella città. Il centro promuoverà nuove soluzioni
tecnologiche sostenibili e la loro diffusione in tutto il mondo.
- 17 -
L'Italia nel frattempo non è rimasta a guardare, prendendo spunto da queste realtà si sono
sviluppati nuovi progetti in diverse città del paese. Tra tutte spicca sicuramente il
progetto WiMove.
2.2.
Progetto WiMove
In Italia un primo accenno alle smart cities arriva dal progetto WiMove, un sistema
incentrato su servizi di infomobilità attraverso una rete WiFi, già implementato in 5 città:
Roma, Firenze, Cagliari, Parma e Genova.
A differenza delle altre città, il progetto non si limita a fornire esclusivamente servizi di
connettività ai cittadini, in realtà è stato sviluppato in maniera più vasta e complessa.
Il sistema impiega una serie di access point WiFi Short Range ad accesso gratuito
applicati in posizioni strategiche della città, anche utilizzando infrastrutture già esistenti.
Questo costituisce il substrato per l’implementazione di servizi innovativi a valore
aggiunto pensati sia per l’utente finale (il cittadino e il turista), sia per le aziende che
possono comunicare attraverso canali differenti da quelli convenzionali.
L'utilizzatore, trovandosi in transito nei pressi di un access point (sia esso a piedi, in auto,
in autobus, in treno, ecc) può connettersi al sistema attraverso un dispositivo mobile. In
tal modo ha accesso ad una vasta quantità di informazioni aggiornate in tempo reale:
riferite allo stato di congestione della rete stradale, quindi ai tempi di percorrenza, alla
disponibilità e ai tempi di attesa delle corse del trasporto pubblico, agli eventuali ritardi
del trasporto ferroviario, a eventuali cancellazioni.
Essendo i dati aggiornati in tempo reale si rende possibile la modifica della pianificazione
del viaggio e la scelta della modalità di trasporto che meglio soddisfa le esigenze
dell’utente in quel preciso momento. E' stato inoltre predisposto un servizio di pagamento
immediato del biglietto tramite la rete WiFi.
La possibilità di integrare molti servizi paralleli ha reso possibile l'attivazione di una
guida turistica in formato elettronico: il turista collegandosi al sistema, può scaricare sul
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proprio dispositivo contenuti georeferenziati multilingue sottoforma di file audio, in
modo da disporre di una guida personale di tutta la città.
Nella città di Parma è presente anche un sottoprogetto denominato Ecologistic, relativo al
trasporto delle merci in ambito urbano; sfrutta nuovi sistemi di organizzazione, di
mobilità sostenibile e di rispetto ambientale.
La rete di comunicazione di questo sistema è affidato ad antenne che utilizzano la
tecnologia Hyperlan e ad una stazione radio base per la copertura dell'aeroporto e della
stazione ferroviaria, le distanze raggiungibili sono nell'ordine di 10Km con velocità di
54Mbps.
Ecologistic, attraverso un software proprietario per la gestione della logistica e della
distribuzione dei mezzi, ha sviluppato 4 macro processi:

ricevimento ordini;

pianificazione consegne;

ottimizzazione dei percorsi;

localizzazione flotta veicoli.
Per il corretto funzionamento del sistema, tutti i mezzi di trasporto merci utilizzano un
sistema GPS.
I dati forniti dai mezzi di trasporto, faranno parte della rete di sensori che permette di
avere informazioni sul traffico, integrabile direttamente all'interno del progetto WiMove,
per fornire aggiornamenti in tempo reale basato sugli effettivi spostamenti dei mezzi e
non solo su eventi statistici.
- 19 -
2.3.
Cloud Computing
L’erogazione di nuovi servizi rende necessario l’impiego di sistemi in grado di gestire e
permettere lo scambio di dati tra i vari apparati. Un modo per esternare le rilevazioni fatte
dai vari sensori in sistemi come WiMove è quello di renderle disponibili tramite Public
Cloud (nuvola pubblica).
Il termine "Cloud" (nuvola) deriva dal fatto che, anni fa, veniva spesso utilizzata questa
forma nei diagrammi per la descrizioni di Internet, un luogo "irraggiungibile", ben al di là
della propria casa o ufficio.
Un luogo dove sia i dati che i programmi sono allocati, ospitati su internet, o in gergo "in
the cloud", invece che sui server o su apparecchi "fisici" dell'utente.
Il sistema risulta quindi integrato con la rete Internet, un luogo accessibile a tutti e da
ogni parte del mondo, che consente di soddisfare sempre più crescenti esigenze di
informatizzazione e di comunicazione.
L'innovazione del Cloud Computing risiede nel fatto che, grazie alla grande maturità
delle tecnologie impiegate, tali risorse sono facilmente configurabili e caratterizzate da
un utilizzo flessibile, in linea con le esigenze di crescita di un paese moderno [5].
La collocazione delle infrastrutture, la riorganizzazione dei flussi informativi, la
razionalizzazione dei costi, sono le principali caratteristiche del sistema . Da una parte si
- 20 -
avrà una semplificazione del dimensionamento iniziale dei sistemi e delle applicazioni,
dall'altra una spesa ridotta per gli adeguamenti tecnologici.
Per l’utente medio è come disporre di un pc con potenza di calcolo e capacità di memoria
inimmaginabili.
Il costo di tale servizio appare evidentemente inferiore ad un pc di pari caratteristiche.
Tutte le operazioni, i calcoli, la memoria fisica, sono a carico del servizio di cloud
computing.
Tale sistema si sta diffondendo sopratutto tra utenti con limitate risorse economiche
(piccole o medie imprese, pubbliche amministrazioni, cittadini), questo perché risulta
particolarmente indicato per la condivisione di dati in sistemi come le smart cities,
facilmente integrabile in infrastrutture e applicazioni esistenti, e con la possibilità di
essere gestito da un fornitore di servizi specializzato.
Nell'ambito del cloud computing si può distinguere tra private cloud e public cloud.
Una private cloud (o nuvola privata) è un’infrastruttura informatica dedicata sopratutto
alle esigenze di una singola organizzazione. Può essere ubicata in locali privati o affidata
in gestione ad un terzo (nella tradizionale forma dell’hosting dei server) nei confronti del
quale il titolare dei dati possiede un controllo puntuale.
Le public cloud, invece, sono infrastrutture di proprietà di un fornitore specializzato
nell’erogazione di servizi, che mette a disposizione i propri sistemi ad utenti, aziende o
amministrazioni.
Acquistare servizi cloud significa disporre, presso un fornitore di servizi, di risorse, come
ad esempio server virtuali o spazio su disco, oppure applicazioni, ad esempio posta
elettronica o programmi di elaborazione dati. Inoltre essendo servizi a consumo è
possibile far fronte ad eventuali esigenze aggiuntive (maggiore spazio o maggiore
potenza elaborativa).
L'utilizzo di questo tipo di servizi beneficia di enormi vantaggi come ad esempio:
 Abbassamento dei costi iniziali: utilizzare software "in the cloud" riduce
enormemente l’investimento delle apparecchiature e dei sistemi. Le applicazioni
informatiche risiedendo sul web usufruiscono della capacità elaborativa e di
stoccaggio fornita dal gestore. In questo modo i costi iniziali si riducono
- 21 -
enormemente e costituiscono solo l'effettivo utilizzo del servizio fornito, potendo
però contare su sistemi ben al di sopra delle possibilità dell'utente medio.
 Sistema aggiornato: saranno sempre utilizzate le versioni più aggiornate dei
programmi, senza bisogno di supporto IT per l'aggiornamento;
 Rischi ridotti: la sicurezza dei dati diventa un problema dell'hosting provider che
deve farsi carico della protezione dei dati che gli sono stati affidati;
 Accesso ai servizi in ogni momento e in ogni luogo: possibilità di accedere a
documenti e servizi via web da qualsiasi luogo.
Tuttavia questa tecnologia riserva anche degli svantaggi che devono essere valutati:
 Sicurezza informatica e privacy: l’utilizzo di un servizio di cloud computing
espone l’utente a rischi di privacy, la memorizzazione dei dati personali avviene
spesso in server farms di aziende situate in paesi esteri e quindi con norme diverse
per la regolamentazione dei diritti di copyright. Questi dati possono essere usati
per effettuare ricerche di mercato o profilazione degli utenti. I dati inoltre sono più
soggetti a fenomeno di attacchi di pirateria informatica o di spionaggio industriale
e per ovviare a questo pericolo è necessario che siano predisposti adeguati livelli
di sicurezza.
 Problemi internazionali: la raccolta dei dati pubblici può essere effettuata in
archivi privati situati in un paese diverso da quello degli utenti. Grandi aziende di
marketing potrebbero accedere all’enorme quantità di informazioni personali e, se
non regolamentate da norme internazionali, potrebbero essere ceduti a terzi senza
che gli utenti lo vengano a sapere. Inoltre la detenzione di una così ingente
quantità di dati possono favorire l’aumento del “digital divide” tra paesi ricchi e
poveri, questo perché l’accesso ai dati sarebbe limitato alle sole persone in
possesso delle tecnologie necessarie
 Continuità del servizio: il rischio per l’utente, delegando a terzi la gestione dei
propri dati e la loro elaborazione, è quello di essere totalmente inerme nel caso i
servizi non fossero operativi (out of service). In caso di malfunzionamento del
sistema si bloccherebbero contemporaneamente un numero elevato di utenti dato
- 22 -
che il sistema utilizza servizi condivisi. Il fornitore può ripararsi da questa
eventualità utilizzando architetture ridondanti, replicando i dati in un numero
maggiore di server, in questo modo si riducono i disservizi visibili all’utente.
 Difficoltà di migrazione dei dati: può essere necessaria la migrazione dei dati tra
diversi fornitori. L'operazione non è semplice dato che non esiste uno standard
comune. Questo può accadere per diverse ragioni, anche l'eventuale fallimento del
gestore dei servizi.
 Dipendenza dalla connessione internet: L’utilizzo del servizio dipende
esclusivamente dalla connessione alla rete Internet che assume un ruolo
fondamentale, senza la quale l'utente non può effettuare alcun accesso o modifica
ai propri dati. Possono verificarsi interruzioni della connessione dovuta
all’Internet Service Provider/ISP, paralizzando così ogni attività.
Alcuni esempi di servizi di cloud computing forniti da grandi aziende sono: iCloud,
prodotto dalla Apple, o Google Chrome OS. Entrambi sono dei veri e propri sistemi
operativi, con la particolarità che questi risiedono dentro il browser di rete e non sul
proprio pc. Gratuitamente forniscono applicazioni base e uno spazio di alcuni GB di
memoria dove poter salvare documenti e file, mentre a pagamento si possono potenziare
tali servizi. La comodità è evidente, l’utente può accedere da qualsiasi dispositivo con
connessione internet e lavorare come se fosse sul proprio pc.
Un altro esempio sono i Social Network, ormai in voga da alcuni anni, soprattutto tra i
giovani. Concedono gratuitamente uno spazio senza limiti per la condivisione di
contenuti multimediali. Questi sono stati soggetti a richiami da parte di istituti garanti
della privacy per la cessione illecita di informazioni personali, capaci di costruire annunci
pubblicitari mirati, in linea agli interessi personali dei singoli utenti.
Anche Microsoft da alcuni anni fornisce una versione del suo noto Pacchetto Office
Online, offrendo la possibilità di utilizzare tutti i programmi direttamente su internet
senza dover installare alcun software sul proprio pc.
L’utilizzo di queste tecnologie avviene molto spesso senza la consapevolezza dei rischi
celati al suo interno, l’utente infatti sfrutta i social network per la condivisione di
- 23 -
informazioni, foto, geolocalizzazioni, o hard disk remoti per disporre sempre dei propri
documenti da ogni parte del mondo. Attraverso smartphone, tablet, pc, l’accesso è
possibile in ogni momento e in ogni luogo, proprio per questo motivo la sicurezza dei
propri dati è legata a fattori non dipendenti da noi stessi.
Il cloud computing non è un fenomeno del momento, da molti è considerato il passo
successivo dell’evoluzione della rete, la quale non fornisce più solamente una
condivisione di pagine o documenti, ma diventa la porta d’accesso a risorse elaborative di
un provider di servizi attraverso l’utilizzo di applicazioni disponibili in modalità web.
Come si dice molto spesso in rete, il futuro è nella Cloud.
2.4.
Controllo di Ambienti e Domotica
La parola "domotica" proviene dal latino, dall'unione della parola "domus" (casa) e
"informatica" [6].
Questa disciplina si occupa dello studio delle tecnologie adibite a migliorare la qualità
della vita, grazie all'automazione, applicata in ambienti residenziali, lavorativi o pubblici.
I principali motivi che spingono l'utilizzo della domotica sono:
 risparmio energetico;
 riduzione dei costi;
 massimizzazione della sicurezza.
L'impianto è costituito principalmente da una centralina di controllo (o controllore
domotico), dispositivi e apparati capaci di comunicare tra loro, sensori e attuatori. Il
controllo è affidato interamente alla centralina che elabora i dati provenienti dai sensori e
comunica attraverso reti cablate (Bus di comunicazione), o senza fili (Zigbee, infrarossi,
onde radio) con le apparecchiature presenti.
Le applicazioni sono molteplici e modulari, è possibile ad esempio: gestire la sicurezza
(controllo
antincendio,
fuga
di
gas,
allagamento,
- 24 -
antintrusione,
sistemi
di
videosorveglianza, collegamento con forze di polizia o di soccorso), la climatizzazione
(riscaldamento, condizionatori, temperature di esercizio per ogni stanza, apertura
finestre), la multimedialità (controllo telefonia, citofono, fruizione multimediale
audio/video), l'impianto elettrico (automazione delle porte, chiusura automatica,
apertura serrande o tende, visualizzazione dei consumi elettrici), l'illuminazione
(accensione automatica di punti luce, spegnimento automatico quando si lascia un
ambiente o l'abitazione), l'irrigazione del giardino (accensione programmata o
comandata a distanza, spegnimento automatico in caso di pioggia) e comandare gli
elettrodomestici (accensione programmata o comandata a distanza, pulizia pavimenti
attraverso robot domestici). Ognuna di queste applicazioni può funzionare in maniera
completamente autonoma, basandosi su eventi specifici da eseguire a determinate
condizioni dei sensori, o programmabile dall'utente attraverso la centralina, la quale
comunica o tiene sotto controllo i dispositivi della rete.
Questo sistema è alla base delle "Smart House", case intelligenti, capaci di assumere
determinati scenari autonomamente, senza l'ausilio diretto dell'uomo, ottimizzando i
parametri controllati attraverso software dinamici capaci di apprendere dalle variazioni
ambientali.
La casa diventa intelligente perché riesce a sfruttare, non apparecchi intelligenti, ma un
sistema in grado di controllare e gestire in modo facile gli impianti presenti.
- 25 -
Il controllo dell'intero sistema è affidato ad un software integrato nella centralina,
normalmente Linux, capace di comunicare attraverso i sensori e di ricevere ed inviare
comandi via sms, e-mail, telefono o tramite comandi vocali. Il sistema è inoltre
controllabile in remoto attraverso palmari, smartphone, tablet, pc, i quali sfruttando un
browser, possono connettersi al Web Server della centralina e comandarla a distanza. Il
sistema, sfruttando un router, è collegato alla banda larga per poter usufruire della rete
come mezzo di comunicazione esterno, permettendo così un controllo remoto o la
fruizione di contenuti multimediali online.
Uno dei punti critici di questa tecnologia è il costo dell'intero impianto: motorizzare
tende, tapparelle, cancelli, impianti di allarme, sensori e apparecchiature in grado di
comunicare la rendono inevitabilmente fuori dalla portata di molte persone.
In cambio si avrebbe però una casa più sicura, inoltre tenere monitorati alcuni parametri
permetterebbe di ridurre molti incidenti domestici.
Il risparmio energetico derivante dalla gestione computerizzata dell’impianto di
riscaldamento, condizionamento e luci ridurrebbero al minimo gli sprechi.
Questi benefici possono ripagare la spesa iniziale, che inizialmente può essere incentrata
alla sicurezza e al risparmio e, in seguito, vista la modularità del sistema, si può ampliare
l'architettura aggiungendo nuovi controlli e automatismi.
Tali sistemi, se applicati ad intere costruzioni, costituiscono la "Building Automation",
ovvero la possibilità di rendere l'intero edificio capace di regolare i propri impianti
(climatizzazione, energia, gas, acqua, impianti di sicurezza) automaticamente in base alle
effettive necessità.
Esistono infinite possibilità di progettazione, ognuna pensata per esigenze diverse che
possono essere estese anche a persone con disabilità.
Nel caso ad esempio di persone con problemi di mobilità, ipovedenti o ipoudenti, si
potrebbe adattare una versione personalizzata del sistema in modo tale da richiedere l'uso
della sola voce, del solo tocco, trasmettere le informazioni solo in forma visiva o audio.
Si avrebbe, in questo caso, un grande miglioramento della qualità della vita dell'utente
che non sarebbe costretto a ricorrere all'aiuto di assistenti altrimenti necessari.
Recentemente la società DomoBuilder ha adottato gli Ambient Electronic Devices per
il controllo e l'interazione con il sistema domotico. Integrare l'intuitività di tali dispositivi
- 26 -
all'interno del mondo della domotica ha permesso il controllo del sistema attraverso
oggetti che non richiedono particolari conoscenze o abilità nel loro utilizzo.
Il WiMirror, che verrà descritto più avanti, ben si adatta a questo ambito, nascondendo
dietro un oggetto di uso comune la possibilità di diventare un pannello di controllo.
Il dispositivo fungerebbe sia da input che da output, eseguendo ad esempio allarmi visivi
o sonori su un eventuale stato di pericolo, la notifica di un messaggio e-mail importante,
visualizzazione a schermo dei consumi, oppure, semplicemente rilevando la nostra
presenza nella stanza, l'accensione di luci o sistemi di intrattenimento.
- 27 -
3. Progetti
I progetti sviluppati, il WiTube ed il WiMirror, sono stati pensati per rispondere a
determinati requisiti di funzionamento, richiedendo una struttura semplice e intuitiva ed
un controllo rapido e immediato.
Il WiTube si presenta come una lampada multimediale, la quale attraverso l'interazione
dei sensori capacitivi posti dietro la superficie permette il controllo di alcune applicazioni
multimediali. Il suo utilizzo è pensato per rispondere alla richiesta di un dispositivo
semplice ma allo stesso tempo con la possibilità di integrare applicazioni informative
diverse (meteo, webradio, multimedialità).
Gli ambiti di utilizzo sono molteplici, da quello domestico, a quello lavorativo, a quello
pubblico attirando gli utenti ed invogliandoli ad interagire attraverso feedback luminosi.
Il WiMirror è invece uno specchio interattivo, dietro il quale si nasconde lo stesso
sistema capacitivo del WiTube. Permette di effettuare i medesimi controlli multimediali,
ma ha in aggiunta un display LED ed alcuni sensori, i quali permettono di ricevere
informazioni sull'ambiente circostante così da poter automatizzare determinate azioni
senza alcun intervento da parte dell'utente. In questo modo è possibile utilizzarlo come
pannello di controllo di un eventuale sistema domotico, permettendo di ricevere notifiche
dai sistemi installati e il controllo di essi.
In entrambi i casi l'utente può interfacciarsi con i dispositivi anche attraverso delle
applicazioni web dalle quali il proprietario può anche effettuare il setting iniziale.
I due dispositivi presentano dei sistemi complessi che richiedono di essere valutati
preventivamente in ogni singolo settore.
Per entrambi sono stati studiati gli elementi che stanno alla base della rilevazione
capacitiva, considerando le possibili strade da percorrere e quelle da evitare. Sono stati
inoltre studiati alcuni principi di illuminazione, della riflessione e della rifrazione.
- 28 -
3.1.
Caratteristiche dei Progetti
La fondamentale caratteristica richiesta dai progetti è l'intuitività; sono stati pensati in
modo tale da risultare di semplice comprensione per qualsiasi utilizzatore, questo ha
richiesto una struttura semplice e principalmente di alcune tecnologie comunicanti tra
loro attraverso una scheda Arduino:
 sensori capacitivi a bassa e alta sensibilità;
 sistema di illuminazione a LED con controllo di potenza ed effetti dinamici;
 sistema di controllo multimediale con archiviazione dei dati in cloud.
Il dispositivo risultante adotta una struttura che richiama l'utente ad effettuare gesti volti
alla comunicazione con l'apparato.
Sono stati inoltre necessari studi su alcuni principi di ottica, questo ha permesso di
sfruttare le caratteristiche speciali di determinati materiali per la realizzazione del
WiMirror.
3.2.
Tecnologie Impiegate
Verranno ora descritte brevemente le tecnologie e i concetti utilizzati per la realizzazione
dei progetti sviluppati. In particolare verrà fatto riferimento alla fisica dei capacitori,
studiando tutti gli elementi fisici e i principi alla base del loro funzionamento. Verranno
inoltre descritte le diverse tipologie di illuminazione presenti, in particolar modo i
dispositivi LED e le loro proprietà.
Inoltre verrà introdotto il concetto che sta alla base del funzionamento dello specchio del
WiMirror, il principio che gli permette di essere sia riflettente che trasparente.
3.2.1.
Fisica dei Capacitori
In questo paragrafo sono descritti i componenti e gli effetti fisici che contribuiscono al
funzionamento dei sensori utilizzati, gli effetti capacitivi utili al riconoscimento
dell’interazione dell’utente e quelli parassiti causati da fenomeni esterni. E’ bene
- 29 -
conoscere tutti gli agenti che influenzano le grandezze in gioco per una più facile
regolazione dei sensori in fase di progettazione e per l'ottimizzazione della struttura
portante del sistema.
3.2.1.1.
Capacità Elettrica
La capacità elettrica è una grandezza fisica scalare che descrive la quantità di carica
presente in un corpo sottoposto a potenziale elettrico, dipendente dalle caratteristiche
fisiche e geometriche del corpo, ed è definita come il rapporto tra la carica accumulata ed
il potenziale elettrico applicato al corpo stesso:
C=Q/V
Nel Sistema Internazionale di unità di misura la capacità elettrica si misura in Farad,
equivalente ad un Coulomb su Volt.
Il condensatore è uno dei dispositivi più utilizzati per l'accumulo di carica,
successivamente verrà descritto più in particolare quello a facce piane parallele.
3.2.1.2.
Dielettrici
I materiali dielettrici sono denominati isolanti elettrici, ovvero possiedono idealmente
una conducibilità elettrica nulla.
Faraday scoprì che se questi materiali vengono posti tra le armature di un condensatore a
facce piane permettono di amplificare la capacità del condensatore di un fattore
dipendente solo dal tipo di isolante impiegato, e quindi dalla sua costante dielettrica
relativa εr.
Essa misura la diminuzione dell'intensità del campo elettrico dovuta all’introduzione del
dielettrico:
E = E0 / ε r
- 30 -
in cui E è l'intensità del campo elettrico all'interno del dielettrico ed E0 l'intensità del
campo elettrico quando tra le armature c'è il vuoto. Viene invece chiamata costante
dielettrica assoluta ε il prodotto di εr per la costante dielettrica del vuoto (o permittività
elettrica del vuoto) ε0.
L'introduzione di un dielettrico lascia invariata la carica presente nel condensatore, e
ovviamente anche la distanza tra le armature e la loro superficie non subiscono
variazioni. Si ha però un aumento della capacità, dovuta alla differenza di potenziale, la
quale diminuisce per via dell'introduzione del dielettrico. All'aumentare della costante
dielettrica relativa εr la differenza di potenziale diminuisce.
Essendo la differenza di potenziale data da:
ʃ
γ
E · dl
si deve considerare che in questo caso il campo elettrico è legato alle densità di carica
delle leggi di Gauss e, quindi la carica racchiusa all'interno di un volume infinitesimo nel
dielettrico risulta più piccola che nel vuoto.
Esistono svariati materiali che possono essere utilizzati come dielettrico, ognuno con
caratteristiche diverse, nella maggior parte dei condensatori viene impiegata la ceramica.
Di seguito le principali caratteristiche di alcuni materiali:
Materiale
εr
Rigidità dielettrica (V/m)
Aria
1.0006
3 · 106
Plexiglass
3.5
4 · 107
Carta
3.7
5 · 107
Gomma
7
1.6 · 107
Vetro
4.7
3 · 107
Ceramica
6.5
1.5 · 107
Acqua
80
- 31 -
Le conseguenze che si possono verificare sul dielettrico, qualora venisse sottoposto ad un
campo elettrico eccessivo, sono la produzione di una corrente elettrica o meglio una
scarica, non solo al suo interno, ma anche tra le armature, dovuta alla rottura delle
molecole del materiale e alla loro ionizzazione.
La rigidità dielettrica misura la resistenza del dielettrico a questo processo distruttivo;
tale grandezza caratteristica viene definita come rapporto tra il valore della differenza di
potenziale alla quale si produce la scarica distruttiva e la distanza tra le armature alle
quali la differenza di potenziale è applicata.
Quindi affinché tali materiali possano essere utilizzati in queste situazioni, devono
presentare le seguenti caratteristiche:
 elevata resistenza dielettrica, non devono diventare conduttori, ossia devono
adattarsi ad elevati voltaggi senza degradarsi;
 bassa perdita dielettrica, deve essere ridotta al minimo la perdita di energia
elettrica sotto forma di calore in un campo elettrico alternante.
Oltretutto, tali materiali devono avere proprietà termiche, meccaniche e chimiche
superiori, specialmente quelli utilizzati in microelettronica come isolanti.
Esistono due tipologie di dielettrici, polari e non polari.
- 32 -
Nel primo caso i baricentri delle cariche elettriche positive e negative che costituiscono
una stessa molecola, sono separati e formano un dipolo elettrico permanente anche in
assenza di campo elettrico esterno. Quando invece viene applicato, avviene il fenomeno
della polarizzazione per orientamento, in cui i dipoli tendono a orientarsi nella direzione
del campo.
In un materiale dielettrico non polare, si parla invece di polarizzazione per deformazione,
perché la formazione dei dipoli è dovuta alla deformazione degli atomi e/o delle molecole
del materiale solo al momento dell'applicazione del campo elettrico esterno; essi si
chiamano dipoli elettrici indotti.
La capacità di polarizzazione di un dielettrico varia con la temperatura, che ha la
massima influenza nel caso di dielettrici polari, perché l’orientazione disordinata dei
dipoli, causata dall’agitazione termica, fa si che si crei opposizione all’orientazione nella
direzione del campo.
La polarizzazione di un dielettrico diminuisce l'intensità del campo all'interno del
dielettrico; è una proprietà utile per aumentare la capacità di un condensatore attraverso
l'introduzione di materiale dielettrico tra le armature.
3.2.1.3.
Condensatore a Facce Piane
Il condensatore è un dispositivo adibito all'accumulo e alla conservazione di carica elettrica.
Verrà considerato nel dettaglio la versione a facce piane parallele.
La sua struttura è costituita da due armature, rappresentate da due conduttori laminari e
- 33 -
paralleli, posti a distanza d, che risulta piccola se confrontata con le dimensioni lineari delle
facce. Tra le due armature è inoltre presente un materiale dielettrico, che ricopre interamente
il volume interposto tra esse.
Il processo di immagazzinamento della carica avviene sulla superficie delle piastre che sta a
contatto con il dielettrico, in questo modo il campo elettrico che si crea all’esterno risulterà
nullo a causa dei due campi aventi stesso modulo ma segno opposto, mentre risulterà doppio
all’interno, in quanto in questo caso i due campi sono caratterizzati da uguale modulo e
verso. L’energia elettrostatica accumulata dal condensatore si posiziona proprio nel
materiale dielettrico fra le due armature.
Come visto in precedenza la capacità è data dal rapporto tra carica Q e potenziale elettrico
V. La carica a sua volta dipende dalla grandezza ε che descrive il materiale dielettrico
all'interno del condensatore. Di seguito vengono considerati diversi casi:
Quando tra i piatti c'è il vuoto, la Capacità C0 è definita come:
C0 = ε0 · A/d
dove ε0 è la permittività del vuoto e A è l'area delle armature. Come si può notare C0 dipende
da A e da d. Se si applica una differenza di potenziale V tra le armature, quella collegata al
potenziale più alto si carica positivamente, l'altra negativamente, e viene immagazzinata al
loro interno una quantità di carica Q0, pari a:
Q0 = C 0 · V
Si può affermare quindi che la carica è proporzionale alla tensione applicata e che la costante
di proporzionalità è proprio la capacità elettrica relativa a quel particolare condensatore,
misurata in Farad [F].
Introducendo tra le facce del condensatore un materiale dielettrico e applicando la stessa
differenza di potenziale, la quantità di carica immagazzinata aumenta a Q1 e
conseguentemente anche la capacità cresce a C1. La relazione che coinvolge questo aumento
di capacità dipende proprio dalla costante dielettrica εr del dielettrico ed è espressa come:
εr = C1/C0
- 34 -
Tale valore dipende dal grado di polarizzazione o di spostamento di carica che avviene nel
materiale, più sarà alto e più la mobilità delle cariche del materiale è alta.
Ad esempio quello dell'aria è circa εr = 1, nella maggior parte dei solidi ionici εr = 5-10,
mentre nei materiali ferroelettrici come BaTiO3, εr = 103-104.
La capacità di un condensatore piano a facce parallele con la presenza di un materiale
dielettrico è quindi:
C1 = ε0 εr · A/d
3.2.1.4.
Capacità Parassita
La Capacità Parassita presente nei componenti elettronici indica la presenza di effetti
capacitivi non desiderati che causano un allontanamento del comportamento di un
dispositivo reale rispetto ad uno ideale. Sono causati da elementi che, per natura
progettuale, stando vicini creano delle capacità che a livello teorico non dovrebbero
essere presenti nel circuito e che quindi spostano il punto di lavoro lontano da quello
preventivato.
In un circuito integrato, dove sono stampate piste metalliche a distanza molto ravvicinata,
queste si comportano proprio come un condensatore.
La capacità, come detto in precedenza, dipende da C = ε · A/d, in questo caso il silicio
costituisce il dielettrico e si comporta come l'isolante, mentre le due piste vicine
sottoposte a differente potenziale, si comportano come armature.
Ovviamente non è possibile eliminare completamente questi effetti, ma è possibile
progettare il circuito in modo tale da renderli trascurabili.
In caso di frequenze elevate si possono sfruttare le capacità parassite presenti tra le piste
del circuito per la costruzione di oscillatori e circuiti miniaturizzati.
In caso di collegamenti di sensori, invece, basta l'utilizzo di cavi schermati (di tipo
coassiale ad esempio) per ridurre l'effetto di capacità parassite dovute a interferenze
circuitali, sopratutto quando si ha a che fare con sensori capacitivi.
- 35 -
3.2.1.5.
Elettrofisiologia ed Effetto Capacitivo
All’interno del corpo umano avvengono numerosi fenomeni elettrici, che costituiscono la
base del sistema di informazioni che si propagano in esso. Ogni tessuto è il risultato di un
insieme di cellule in stretta connessione tra loro e della soluzione che le circonda (liquido
interstiziale). Oltre a questo, è presente anche il liquido intracellulare, ossia il liquido
all'interno della cellula. Entrambi, sono costituiti per la maggior parte da acqua, con
approssimativamente la stessa concentrazione di ioni, ma gli scambi di alcuni di essi fra i
due liquidi sono limitati da una sottile membrana che tiene separati i liquidi stessi.
Lo ione è definito come una specie chimica elettricamente carica. In pratica, quando un
atomo (o una molecola) cede o acquista uno o più elettroni si trasforma in uno ione (K+,
Na+, Cl-,…). Essi risentono del campo elettrico generato dagli altri ioni e la membrana
cellulare presenta una permeabilità agli ioni di tipo selettivo: più permeabile ai K+, che
non agli Na+.
Una cellula, nello stato stabile, può essere rappresentata come in figura.
Il liquido interstiziale e quello intracellulare hanno rispettivamente una resistività di circa
60 ohm · cm e 200 ohm · cm, quindi costituiscono dei buoni conduttori elettrolitici. La
resistività della membrana cellulare è invece di circa 109 ohm · cm e ha una costante
dielettrica di circa 7ε0. Sono valori alti, ecco il motivo per cui può essere considerata
come uno strato isolante tra due conduttori, ma non trattandosi di un isoante perfetto ad
essa viene associata una resistenza Rm, detta di "perdita".
- 36 -
Se volessimo descrivere una membrana dal punto di vista elettrico, basta considerare che
ogni tratto di membrana è equivalente ad un condensatore, la cui capacità C (circa 1 ÷ 10
µF/cm^2) è quella del sistema liquido interstiziale - membrana - liquido intracellulare del
tratto considerato, in parallelo alla resistenza Rm.
L'effetto capacitivo del corpo umano può essere visto come una capacità C che risiede
principalmente nella pelle, la quale è assimilabile ad un debole dielettrico, e che quindi
funge da isolante tra un eventuale sensore e il tessuto sottostante saturo di elettroliti
conduttivi.
Ed è proprio la natura conduttiva delle dita che rende possibile il rilevamento tattile.
3.2.2.
Caratteristiche dei Sensori Utilizzati
La necessità per entrambi i progetti di disporre di una struttura minimalista, ha imposto
l'uso di una tipologia di sensori che potesse essere nascosta all'occhio dell'utilizzatore.
La scelta è ricaduta su sensori di tipo capacitivo, costituiti da una semplice placca
metallica sensibile, un cavo coassiale e una resistenza, controllati interamente dalla
piattaforma Arduino. Questi presentano una sensibilità e un raggio d'azione minore
rispetto ai sensori ad ultrasuoni utilizzati in precedenti versioni di WiTube, ma hanno il
vantaggio di essere praticamente a costo zero e, soprattutto, possono essere nascosti
dietro superfici di materiale isolante come legno, plastica, carta, plexiglass, intonaco.
Grazie a queste particolarità offrono un enorme vantaggio in fase di progettazione con la
possibilità di nascondere fisicamente i sensori alla vista dell’utente mantenendo
comunque una sensibilità utile al superamento della superficie.
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3.2.2.1.
Arduino
Arduino è una piattaforma open-source flessibile ed il suo utilizzo è molto semplice, sia a
livello hardware che software, è pensato per progettisti, designer, hobbisti, e usato per la
creazione di oggetti o ambienti interattivi.
Arduino può ricevere diversi input contemporaneamente da una varietà di sensori: touch,
a pressione, resistivi, capacitivi, ad ultrasuoni e può controllare una moltitudine di
dispositivi: luci di controllo, motori, attuatori.
Il microcontrollore sulla scheda utilizza il linguaggio di programmazione Arduino
(basato su Wiring) e l'ambiente di sviluppo Arduino (basato su Processing).
Uno dei principali vantaggi dell’Arduino è quello di poterlo utilizzare in 2 modalità:
 stand-alone, ovvero con la sola necessità di alimentazione, sensori e/o dispositivi
di controllo;
 in comunicazione seriale con software in esecuzione su un computer (per esempio
Java, Flash, Processing, MaxMSP), ampliando così le possibilità di utilizzo.
La scheda utilizzata è una Arduino UNO (visibile in foto) con microcontrollore basato
sulla ATmega328.
- 38 -
Dispone di 14 pin digitali di input / output (di cui 6 possono essere utilizzate come uscite
PWM), 6 ingressi analogici, un oscillatore a cristallo 16 MHz, una connessione USB, un
jack di alimentazione, un header ICSP, e un pulsante di reset. L’alimentazione avviane
direttamente da USB o tramite alimentatore esterno AC-DC.
3.2.2.2.
Sensori Capacitivi
I sensori tattili sono in circolazione da anni, recentemente sono stati compiuti molti
progressi nel campo, che stanno rendendo le soluzioni basate sull’effetto capacitivo
un'ottima alternativa ai sensori meccanici in una grande varietà di prodotti di uso
comune [7].
Normalmente, per una necessità estetica, i sensori vengono nascosti alla vista
dell’utilizzatore attraverso una superficie di copertura di 3-5mm. La difficoltà nella
rilevazione della presenza di un interazione attraverso lo strato di copertura è
direttamente proporzionale al suo spessore.
Il fulcro di qualsiasi sistema di rilevamento capacitivo è composto da un insieme di
conduttori che interagiscono con i campi elettrici. Nella sua forma più semplice un
condensatore
a
superfici
parallele, come descritto in precedenza, prevede due
superfici conduttrici separati da un
materiale dielettrico.
In questo sistema la
maggior parte dell’energia viene concentrata tra le superfici. Una parte di energia però
fuoriesce nell’area esterna e crea delle linee di campo elettrico denominate fringing
fields (campi dispersi). La difficoltà maggiore è quella di progettare il sensore capacitivo
in modo tale che i campi dispersi vengano diretti all’interno dell’area di rilevamento
tattile accessibile all’utilizzatore.
Può essere creata una pista per le linee di campo che si direzionano più facilmente
attraverso materiale con coefficiente dielettrico alto, in questo modo è possibile
direzionarle esattamente nella parte adibita all'interazione dell'utente.
Posizionando un dito sulla zona sensibile si catturano i campi elettrici dispersi, questo ha
come effetto quello di aggiungere una quantità capacitiva all’intero sistema. La capacità
introdotta dall'interazione dell'utilizzatore è nota col termine finger capacitance, CF. La
- 39 -
capacità del sensore in assenza di qualsiasi interazione è identificata dalla capacità
parassita, CP.
Un errore molto comune sui sensori capacitivi riguarda la convinzione che il sistema
funzioni solamente se le dita dell'utilizzatore sono in qualche modo connesse a terra; in
realtà non è necessario, in quanto il corpo umano viene rilevato grazie alla sua proprietà
di essere un trasportatore di carica.
3.2.2.3.
Composizione e Funzionamento
A livello hardware un sensore capacitivo è costituito da una placca metallica, una
resistenza e un cavo coassiale per ridurre le interferenze esterne. A livello software la
libreria capSense permette a due pin (receivePin e sendPin) Arduino di calcolare la
capacità elettrica del corpo umano rilevata dalla placca.
Il funzionamento è molto semplice, il receivePin è collegato alla placca del sensore,
questa può essere vista come una delle 2 armature presenti in un condensatore a facce
parallele, l’aria o un eventuale materiale isolante coprente è il dielettrico e il corpo umano
è la seconda armatura. Successivamente viene mostrato come il sistema non fa altro che
calcolare la capacità di questo condensatore. La rilevazione della capacità ha una risposta
logaritmica, proporzionale alla distanza dell’utente dal sensore.
- 40 -
I sensori capacitivi possono essere utilizzati in qualsiasi situazione dove è richiesta la
rilevazione del tocco umano, nel nostro caso in pulsanti di tipo touch e di presenza.
Per il corretto funzionamento del sensore è necessario scegliere la resistenza connessa tra
i 2 pin (foto) e la grandezza del sensore in modo da regolare la sensibilità, il valore della
resistenza e la superficie del sensore sono direttamente proporzionali alla sensibilità. Per
sensori di tipo touch la superficie della placca è nell’ordine di 1-10cm^2 mentre per
sensori di prossimità la superficie varia in un range di 20-30cm^2.
Una scheda Arduino può comandare contemporaneamente fino a 12 sensori capacitivi e
questi possono avvertire il tocco umano attraverso uno spessore massimo di 3-4cm di
materiale isolante, basterà agire sulla resistenza per ampliare la sensibilità e permettere
alle linee di campo del sensore di attraversare la superficie e chiudersi attraverso il corpo
umano.
Il metodo capSense permette al microcontroller del sendPin di passare ad un nuovo stato
e quindi attende che il receivePin assuma lo stesso stato. Una variabile viene
incrementata all'interno di un ciclo while nel momento in cui lo stato del receivePin
cambia. Il metodo poi riporta il valore della variabile, espresso in un’unità arbitraria.
Il ritardo del cambiamento tra il sendPin e il receivePin è determinato da una costante di
tempo
, definito da R · C, dove R è il valore della resistenza e C è la capacità rilevata
nel receivePin, comprendente sia la capacità parassita che quella dell'interazione del
corpo umano.
3.2.2.4.
Librerie e Metodi
La libreria contiene tre metodi principali e alcuni metodi opzionali:
 CapSense CapSense(byte sendPin, receivePin byte)
CapSense crea un'istanza della libreria specificando il sendPin e il receivePin.
- 41 -
 long capSenseRaw(byte samples)
capSenseRaw richiede un parametro samples e restituisce un intero long che contiene la
capacità assoluta, in unità arbitrarie. Il parametro samples può essere utilizzato per
aumentare la risoluzione restituita, a scapito della riduzione delle prestazioni. Il valore
restituito è la somma della capacità rilevata e delle capacità parassite presenti.
capSenseRaw restituirà -2 se il valore di capacità supera il valore di CS_Timeout_Millis
(in millisecondi). Il valore predefinito per CS_Timeout_Millis 2000 millisecondi (2
secondi).
 long capSense(byte samples)
capSense richiede un parametro samples e restituisce una variabile long contenente la
capacità rilevata (sensed) aggiunta dall’interazione, in unità arbitrarie. capSense tiene
traccia della capacità parassite (unsensed) e la sottrae dalla capacità percepita, così il
valore utile restituito sarà basso nella condizione di unsensed (prossimo allo 0, utile per
tarature più precise).
La calibrazione viene tarata a intervalli determinati dal CS_Autocal_Millis. Il valore
predefinito è 200000 millisecondi (20 secondi). Questo taratura può essere disattivata
impostando
CS_Autocal_Millis
su
un
valore
elevato
con
il
metodo
set_CS_AutocaL_Millis().
 public static void set_CS_Timeout_Millis (unsigned long timeout_millis);
La funzione set_CS_Timeout_Millis può essere utilizzata per impostare il valore di
CS_Timeout_Millis, che determina il tempo di timeout della rilevazione. Se il receivePin
(sensed) non riesce a passare nello stesso stato del sendPin è necessario un timeout per
evitare un ciclo loop. Il valore predefinito dei CS_Timeout_Millis è 2000 millisecondi (2
secondi).
 public static void reset_CS_AutoCal()
reset_CS_AutoCal può essere utilizzato per imporre una calibrazione immediata della
funzione capSense.
- 42 -
 public static void set_CS_AutocaL_Millis (unsigned long autoCal_millis)
Il metodo set_CS_AutocaL_Millis (unsigned long autoCal_millis) può essere utilizzato
per impostare l'intervallo di timeout della funzione capSense. La taratura può essere
disattivata utilizzando set_CS_AutocaL_Millis per impostare CS_AutocaL_Millis su
"0xFFFFFFFF".
3.2.2.5.
Scelta Resistore
Come detto in precedenza il valore della resistenza utilizzata implica una sensibilità
maggiore del sensore, di seguito vengono descritti alcuni esempi a parità di dimensioni
della placca e considerando come dielettrico la sola aria:
 Utilizzare una resistenza da 1 megaohm è indicato per sensori di tipo touch;
 Con una resistenza di 10 megaohm il sensore inizia a rispondere 4-6 centimetri di
distanza.
 Con una resistenza da 40 megaohm il sensore inizia a rispondere 12-24 centimetri
di distanza (dimensioni della placca nell’ordine di 10cm^2);
Utilizzando resistenze maggiori il sensore diventa più lento nella rilevazione, dovuto
all'aumento della costante
, andrà effettuato un compromesso. Se si eccede con tali
valori, anche se il sensore rilevasse qualcosa, è possibile che il sendPin non sarà mai in
grado di forzare un cambiamento del receivePin (sensed), e il sensore andrà in timeout.
Utilizzando dei piccoli condensatori (100 pF -.01 uF) collegati a terra sul receivePin si
migliora la stabilità del sensore.
- 43 -
3.2.2.6.
Messa a Terra
La messa a terra della scheda Arduino è molto importante nel rilevamento capacitivo.
I sensori capacitivi assumono comportamenti diversi se la scheda Arduino è connessa ad
un portatile senza che questo sia connesso alla rete elettrica, pertanto la messa a terra è
vivamente consigliata per migliorare le prestazioni dei sensori.
Un ulteriore miglioramento si ha ponendo un piano di massa sotto la placca del sensore
(isolato da plastica, carta, ecc) e collegato a terra, in questo modo si stabilizzano i valori
del sensore e si aumenta la sensibilità.
3.2.2.7.
Messaggi di Errore
I metodi capSense e capSenseRaw restituiscono il valore -2 se avviene un timeout nella
rilevazione. Questo è causato dal superamento del CS_Timeout_Millis, che è fissato a un
valore predefinito di 2000 millisecondi (2 secondi). Questo comportamento è spesso
causato da un resistore mancante o nel caso il resistore venga posizionato in un pin
errato. Potrebbe anche essere causato da un sensore che è erroneamente collegato a terra
o alla tensione di 5V.
E' necessario un timeout perché il ciclo while che sincronizza i tempi nel metodo
CapSense bloccherebbe lo sketch senza restituire mai alcun valore.
3.2.3.
Sistema Illuminante
L’esigenza di utilizzare un feedback luminoso per entrambi i progetti ha imposto la scelta
di una fonte luminosa con determinate caratteristiche; vediamo alcuni esempi degli
apparati presi in considerazione, analizzando i pro e i contro per ogni soluzione.
- 44 -
3.2.3.1.
Fonti Luminose
La particolare struttura degli apparati e il sistema di controllo utilizzato richiedono una
fonte luminosa con determinate caratteristiche:
 Alimentazione dell’apparato tramite 5-12V e con correnti massime sotto i
1000mA;
 Possibilità di effetti dinamici (variazione di colore RGB);
 Calore generato ridotto;
 Potenza luminosa elevata;
 Luce uniforme su tutta la struttura;
 Dimensioni ridotte;
 Durata elevata.
Sono state prese in esame le principali fonti luminose presenti sul mercato, ognuna con
caratteristiche diverse, che impongono, in alcuni casi, modifiche alla struttura interna per
ottenere la diffusione luminosa desiderata.
Lampadina alogena/incandescenza:
Pro: costo minimo, dimensioni ridotte.
Contro: corrente di alimentazione superiore ai 1000mA, consumo elevato, calore elevato,
durata limitata, fragilità elevata, impossibilità di eseguire effetti dinamici, potenza
luminosa ridotta.
Questa soluzione è stata immediatamente scartata, principalmente per la corrente di
alimentazione elevata che non permette un controllo della fonte e per l’impossibilità di
eseguire effetti dinamici.
Neon DC:
Pro: alimentazione 12V e corrente intorno a 1000mA, calore ridotto.
Contro: costo elevato, fragilità elevata, impossibilità di eseguire effetti dinamici,
dimensioni elevate.
Questo tipo di apparato è differente dai normali Neon AC che troviamo normalmente
nelle abitazioni; non richiedono un reattore per l'accensione e quindi non necessitano di
correnti elevate per innescare la reazione. In questo modo l'accensione è immediata e la
- 45 -
luminosità è dipendente dalla corrente erogata, permettendo di controllarlo a piacimento.
La sua struttura fragile e la particolarità del dispositivo di non poter generare effetti
dinamici RGB hanno fatto nuovamente optare per altre soluzioni.
LED:
Pro: facilmente controllabili con grande varietà di effetti dinamici, resistenza elevata,
durata elevata, calore ridotto, bassi consumi, alimentazione con tensioni di 12V e correnti
di 1000mA, dimensioni ridotte.
Contro: costo elevato.
La scelta è ricaduta sui dispositivi LED, soprattutto per la facile implementazione nelle
strutture e per la grande varietà di diodi presenti sul mercato.
I vantaggi di questi dispositivi dal punto di vista illuminotecnico sono:

durata di funzionamento (LED ad alta emissione arrivano a circa 50.000 ore);

assenza di costi di manutenzione;

elevato rendimento (se paragonato a lampade ad incandescenza e alogene);

luce pulita perché priva di componenti IR e UV;

facilità di realizzazione di ottiche efficienti in plastica;

flessibilità di installazione del punto luce;

colori saturi;

possibilità di un forte effetto spot (sorgente quasi puntiforme);

funzionamento in sicurezza perché a bassissima tensione (normalmente tra i 3 e i
24 Vdc);

accensione a freddo (fino a -40°C) senza problemi;

insensibilità a umidità e vibrazioni;

assenza di mercurio;

durata non influenzata dal numero di accensioni/spegnimenti;
- 46 -
3.1.3.2.
LED - Trattazione Generale
Il termine "LED" è un acronimo che significa "Light Emitting Diode", ovvero "diodo che
emette luce". Il primo LED è stato sviluppato nel 1962 da Nick Holonyak Jr..
Il diodo è un componente fondamentale in elettronica, è un dispositivo passivo non
lineare (la corrente è legata al voltaggio in modo logaritmico), a due poli (anodo e
catodo), i quali permettono il passaggio di corrente in una direzione e la bloccano
nell'altra.
Il principio di funzionamento dei diodi luminosi sfrutta le proprietà ottiche di alcuni
materiali semiconduttori per produrre fotoni a partire dalla ricombinazione di elettroni
con lacune. Questo effetto è chiamato elettroluminescenza e il colore della luce
(corrispondente alla energia del fotone), è determinata dal differente drogaggio di 2
regioni e quindi dal gap di energia del semiconduttore. La zona dove gli elettroni e le
lacune vengono iniettati è detta zona di ricombinazione: questi provengono da regioni del
diodo drogate con impurità di tipo diverso, cioè di tipo n per gli elettroni e p per le
lacune.
Quando viene applicata una tensione diretta si riduce la barriera di potenziale della
giunzione, di conseguenza gli elettroni della banda di conduzione del semiconduttore si
ricombinano con le lacune della banda di valenza, rilasciando energia sottoforma di
fotoni. A causa dello spessore estremamente ridotto del chip, un numero elevato di questi
fotoni abbandona la superficie e viene emesso sottoforma di luce ad una particolare
lunghezza d'onda.
- 47 -
La lunghezza d'onda della radiazione emessa è definita dalla distanza in energia tra i
livelli energetici di elettroni e lacune, definita dalla scelta dei semiconduttori. Tale scelta
influenza l'efficienza nella conversione elettro-ottica e quindi l'intensità luminosa in
uscita.
Variando tali materiali è possibile ricreare gran parte dello spettro della luce visibile e
invisibile (infrarosso, ultravioletti).
I materiali comunemente utilizzati sono formati da GaAs (arseniuro di gallio), GaAsP
(fosfuro arseniuro di gallio), GaP (fosfuro di gallio), SiC (carburo di silicio) e GaInN
(nitruro di gallio e indio).
I LED più comuni emettono luce rossa, arancio, gialla o verde, ma recentemente
utilizzando il GaN (nitruro di gallio) sono stati prodotti LED caratterizzati dall'emissione
di luce blu chiara; questa scoperta risulta molto importante in quanto l'insieme delle
radiazioni rossa, verde e blu permette di creare una sorgente a luce bianca.
Tutti i LED sono "macchine reversibili", infatti se viene esposta la giunzione ad una fonte
luminosa o ai raggi solari nei terminali compare una tensione, proporzionale all'intensità
della radiazione e dipendente dal colore del LED in esame (massima per il blu). Questa
caratteristica viene sfruttata per la realizzazione di sensori, per sistemi di puntamento
(inseguitori solari) di impianti fotovoltaici a concentrazione e per molti altri utilizzi.
- 48 -
I LED presentano molti vantaggi rispetto ad altre soluzioni: minor consumo energetico,
maggiore durata, maggiore efficienza, maggiore luminosità, migliore robustezza,
dimensioni ridotte e velocità elevatissime di commutazione nell'ordine anche di alcuni
MHz.
Principalmente, le versioni ad alta potenza, vengono impiegate nell'illuminazione di
ambienti o spazi aperti, sono relativamente costosi e richiedono una gestione più attenta
della dissipazione del calore generato, ma presentano vantaggi economici maggiori
rispetto alle sorgenti luminose normalmente utilizzate. Recentemente sono utilizzati
anche per l'illuminazione di schermi televisivi o megaschermi da stadio e concerti.
LED con potenze nell'ordine di qualche frazione di watt, vengono utilizzati in
applicazioni di indicazione stradale, semafori, insegne pubblicitarie, dispositivi portatili e
circuiti elettronici.
Particolari LED sono invece impiegati per la comunicazione: quelli ad infrarosso per
comunicazioni wireless a distanza ravvicinata, presenti ormai in tutti i dispositivi con
telecomando come TV, DVD Player, ed altri prodotti, mentre altre tipologie sono
utilizzati come iniettori di segnali nelle reti a fibre ottiche.
Dal punto di vista applicativo i LED sono molto utilizzati quando sono richieste le
seguenti caratteristiche:

miniaturizzazione;

colori saturi;

effetti dinamici (variazione di colore RGB);

lunga durata e robustezza degli apparati;

valorizzazione di forme e volumi dovuta alla sorgente puntiforme.
Diversamente dalle comuni lampadine, il cui filamento funziona a temperature molto
elevate, i LED emettono luce fredda; se si considera anche che la luce emessa è
direttamente proporzionale alla corrente che li attraversa, i led risultano particolarmente
adatti alla trasmissione di segnali tramite modulazione dell'intensità luminosa.
- 49 -
3.2.3.2.
Caratteristiche dei LED Utilizzati
La disponibilità di una vasta gamma di dispositivi con caratteristiche diverse ha permesso
di ottenere ottimi risultati per entrambi i progetti.
Per il WiMirror sono stati scelti LED White SMD su PCB di 450mm, questo ha
permesso un risparmio di spazio notevole dato che non necessitano di dissipatore. Inoltre
è possibile alimentare i LED tramite un semplice circuito di potenza collegato alla
piattaforma arduino in modo da poter effettuare gli effetti di fading richiesti.
Specifiche:
Angolo di visuale: 120°
Larghezza:
5mm
Lunghezza:
450mm
Spessore:
6.5mm
Colore emesso:
Bianco
Lumen typ.:
300
Lumen Max.:
400
Kelvin typ.:
6500
V typ.:
12 V
Corrente:
450 - 500mA
Consumo:
5.4 - 6.0W
Il progetto non richiede l'utilizzo di LED RGB ma della sola illuminazione bianca.
Per l'illuminazione del WiTube sono stati invece impiegati LED di tipo RGBW (Red Green - Blu - White) ad alta potenza e luminosità, più precisamente il modello CREE
MCE4CT-A2-A3K5A (4000-4300K), formato da 4 chip CREE MCE, visibili nelle
seguenti figure.
- 50 -
Specifiche:
Diametro:
44.0mm
Angolo visivo:
110°
Colore emesso: red / green / blue / white
Lumen min.:
804 lumen per tutti i chip
Lumen max.:
1368 lumen per tutti i chip
mA typ.:
350 mA per ogni chip
mA max.:
700 mA per ogni chip
V typ.:
R:8.8/G:13.6/B:12.8/W:12.8 V
V max.:
R:10/G:15.6/B:15.6/W:15.6 V
La scelta è ricaduta su questo particolare LED, in quanto permette di eseguire gli effetti
dinamici richiesti dal sistema fornendo la possibilità di controllare in maniera
indipendente i singoli colori.
Utilizzando una lente direttiva di 46° è possibile convogliare il fascio di luce in modo da
concentrarla sulle pareti interne della struttura e avere un'illuminazione uniforme su tutta
la superficie.
I LED ad alta potenza generano alcuni watt termici che devono essere dissipati
regolarmente per preservarne la durata e l'affidabilità.
Tramite pasta termoconduttiva all'argento (l'argento vanta una delle migliori
conducibilità termiche, pari a 460 W·m-1·K-1) è stato fissato il LED ad una piattaforma in
alluminio per poter smaltire il calore in eccesso (conducibilità termica alluminio: 260
W·m-1·K-1).
- 51 -
Infine è stato necessario l'impiego di un particolare controller che potesse essere
interfacciato con arduino e al tempo stesso fornisse la corrente di alimentazione richiesta
dai LED. La scelta è stata obbligatoria in quanto la corrente necessaria al funzionamento
dei LED è di gran lunga superiore a quella erogata dall'arduino.
3.2.3.3.
Controller RGB e Circuiti di Potenza
Il controller utilizzato è l' "High Power RGB LED Shield" prodotto dalla Neuroelec.
Il grande vantaggio di questo dispositivo è la possibilità di sovrapporlo direttamente alla
piattaforma arduino, in modo da sfruttare tutti gli input/output e poter comandare
direttamente gli effetti dinamici sui diversi colori con una corrente di 700mA.
Lo Shield fornisce tre canali indipendenti, ideali per LED RGB, può essere alimentato
con tensioni da 6V a 42V e può erogare da 100mA a 700 mA di corrente. Supporta due
metodi diversi di controllo: analogico per una migliore efficienza energetica e tramite pin
PWM per una migliore gestione degli effetti dinamici RGB.
- 52 -
Specifiche

3 canali 700mA LED driver;

3 canali I2C di controllo PWM (12bit) per effetti LED;

Uscita corrente regolabile dinamicamente;

Ingresso 42V, uscita 36V. Possibilità di comandare LED fino a 40W;

5V controllo di potenza (fino a 42V in ingresso);

molti shield possono essere impilati e usare solo due pin I2C (A4, A5) da Arduino;

Sensore di temperatura opzionale per il controllo della temperatura del LED e del
PCB.
I LED SMD e il canale White dei LED RGBW sono stati alimentati attraverso un circuito
separato, definito Amplificatore di Corrente, questo perché non necessitavano di
correnti elevate e gli effetti richiesti consistevano nel solo fading o nell'alternarsi degli
stati di ON e OFF.
Questo può essere realizzato in due modi, entrambi molto semplici:
nel primo caso è possibile comandare attraverso i pin PWM arduino, fino a 3 serie di
LED da 12V con una corrente massima di 350mA per ogni canale. Lo schema è
composto da un circuito integrato ULN2003 avente i pin connessi come in figura, sia con
i rispettivi pin arduino che con il catodo dei LED. Ovviamente tutto il circuito deve poi
essere connesso a terra.
Un secondo circuito può essere realizzato attraverso una resistenza e un Transistor NPN,
il quale può funzionare in 2 modi distinti: come interruttore o come amplificatore di
corrente.
VCC rappresenta uno dei pin di controllo analogico di arduino, posto proprio alla
tensione di 5V, in questo modo quando è presente una corrente abbastanza elevata sulla
base del transistor, questo si comporta come un interruttore chiuso tra il collettore e
l'emettitore, facendo passare la corrente e permettendo l'accensione dei LED.
- 53 -
3.2.4.
Riflessione / Rifrazione
I concetti descritti in questo paragrafo saranno sfruttati per la progettazione del WiMirror
e verranno esaminate le capacità di alcuni materiali di poter riflettere e rifrangere la luce
in base a determinate condizioni ambientali.
La riflessione in fisica è un fenomeno che viene osservato quando un'onda (acustica o
luminosa), che si propaga attraverso un mezzo, cambia direzione a causa di un impatto
con un materiale riflettente.
Può essere di 2 tipi: speculare, ovvero il raggio riflesso e il raggio incidente hanno lo
stesso angolo rispetto alla normale alla superficie ma sono l'una speculare all'altra;
oppure non speculare (diffusa), in questo caso l'onda riflessa si propaga in molte direzioni
casuali.
- 54 -
Viene definito inoltre il rapporto tra flusso riflesso e flusso incidente, valutato per ogni
lunghezza d'onda, attraverso la riflettanza. Essendo un rapporto di grandezze omogenee,
la riflettanza è una grandezza adimensionale e viene espressa con valori compresi tra 0 e
1 o in maniera analoga con una percentuale.
La riflettanza tiene conto, oltre alla lunghezza d'onda, anche dell'illuminazione, della
geometria di irradiamento (la geometria con cui si illumina il corpo) e della geometria di
visione (la geometria con cui si misura il flusso riflesso). E' quindi necessario definire
una grandezza più generale della riflettanza, cioè il fattore di riflessione.
Il fattore di riflessione è molto importante, perché permette di considerare la percentuale
di flusso riflesso da un determinato materiale considerando le caratteristiche del flusso
incidente.
Un altro fenomeno importante è la rifrazione, ovvero la possibilità che un'onda (sonora o
luminosa) subisca una deviazione quando questa passa da un mezzo ad un altro,
cambiando la sua velocità di propagazione.
In ottica, questo fenomeno avviene quando un'onda luminosa passa attraverso due mezzi
con indice di rifrazione diverso. Nel momento che l'onda arriva sul bordo tra i due mezzi,
la velocità di fase viene modificata, cambia direzione e varia la lunghezza d'onda mentre
la frequenza rimane la stessa. Un esempio comune sono i raggi di luce che si rifrangono
su uno specchio d'acqua; questo concetto ha permesso l'invenzione delle lenti e del
telescopio a rifrazione.
Un oggetto diritto, parzialmente immerso e inclinato, apparirà ad un osservatore, piegato
verso la superficie dell'acqua o verso il basso. Questo fenomeno accade perché l'aria ha
- 55 -
un indice di rifrazione pari a 1.0003 circa, mentre l'acqua a 1.33. L'estremità dell'oggetto
si comporta come sorgente secondaria di radiazione luminosa ed emette raggi di luce in
tutto lo spazio circostante. Tali raggi, arrivati in prossimità della superficie di
discontinuità tra acqua e aria si piegano, allontanandosi dalla normale alla superficie. I
raggi rifratti vengono percepiti dall'osservatore e il loro prolungamento determina un
punto virtuale, dal quale l'occhio umano ha la sensazione che provenga l'immagine. In
altre parole, l'occhio dell'osservatore, riesce a percepire solo l'immagine virtuale
dell'oggetto e non vede l'estremità dello stesso.
Questi due fenomeni sono alla base del funzionamento del WiMirror, o meglio, della
pellicola utilizzata per la sua fabbricazione. La pellicola (modello Reflectiv MIR500),
applicata ad un piano di plexiglass, riflette la luce e, in base a determinate condizioni, ne
permette il passaggio in modo unilaterale.
In questo modo è possibile avere una riflessione della luce con un fattore di riflessione
pari a 84%, ed un indice di rifrazione di 70%.
Se viene applicata una fonte luminosa nella parte anteriore (parte riflettente) si avrà un
effetto specchio, nascondendo totalmente qualsiasi cosa è posta nella parte posteriore.
Se invece la fonte luminosa viene spostata nella parte posteriore, i raggi luminosi
riusciranno a penetrare fino ad attraversare quasi completamente tutta la struttura.
Il principio di funzionamento si basa sul bilanciamento della luce; in risposta ad una luce
più intensa la pellicola si comporta come uno schermo riflettente. Se però vengono
disposti dei LED o un display nella parte posteriore, saranno visibili da accesi per via
della luce emanata e, completamente invisibili da spenti.
- 56 -
3.2.5.
SmartControl
Lo SmartControl è un sistema software di controllo e gestione di contenuti multimediali
sviluppato in java dall'azienda Liquidweb.
Le funzioni di cui si compone sono adibite a servizi "invisibili" all'utente, che
apparentemente non creano alcun riscontro, ma che in realtà provvedono al corretto
funzionamento del sistema. Ad esempio alla comunicazione tra i diversi apparati
(SmartServer) o all'interfacciamento con i contenuti presenti sul web e alla gestione dei
controlli remoti online (SmartInterface).
L'applicazione principale è lo SmartPlayer, un player multimediale in grado di eseguire
principalmente le seguenti funzionalità:
 scarica/gestisce i podcast dalla rete;
 crea le playlist suddivise per canale che il WiTube riproduce;
 gestisce i comandi play/next/previous/stop/volume relativi alla riproduzione audio;
 legge da seriale (USB) i dati di input inviati da Arduino;
 scrive su seriale (USB) i dati di ritorno per Arduino.
Altre applicazioni possono essere sviluppate e integrate nel sistema, per permettere la
comunicazione con altri dispositivi attraverso reti wireless (WiFi, Zigbee), ad esempio
nella domotica. Alcuni esempi delle applicazioni realizzabili saranno descritti nei
successivi paragrafi.
3.3.
WiTube
Il progetto WiTube, facente parte della categoria degli Ambient Electronic Devices,
permette l'accesso a contenuti e applicazioni web senza la necessità di un computer. La
sua struttura esterna risulta minimalista e intuitiva (composta perlopiù da un tubo in
plexiglass di 2 metri di altezza, 30 centimetri di diametro e 4mm di spessore), in modo da
rendere l'esperienza semplice, istantanea e accessibile a chiunque.
- 57 -
Grazie alla grande versatilità del dispositivo è possibile utilizzarlo in ambienti di ogni
genere, dalle abitazioni, agli uffici, ai luoghi pubblici, inclusi gli spazi urbani come
piazze o giardini.
L'utilizzo di tale dispositivo permette di avere una maggiore interazione con il mondo che
ci circonda, risultando particolarmente utile per la promozione di prodotti/servizi o per la
comunicazione di informazioni. Il WiTube si adatta perfettamente ad innumerevoli
situazioni come sale d'attesa, negozi, musei, aeroporti, stazioni, luoghi dove sono
necessari postazioni informative o di comunicazione con il cliente.
L'utente può interagire semplicemente con la propria presenza all'interno del raggio di
rilevazione del dispositivo o, tramite l'interfaccia. Tutto avviene attraverso interazioni
touchless rilevate da sensori capacitivi nascosti dietro la superficie, attivando così le
applicazioni predisposte dal proprietario.
E' inoltre possibile interagire tramite dispositivi portatili (smartphone, tablet, netbook) in
modo da utilizzarli come uscita video, utilizzando il WiTube come un hub di risorse,
capace di condividere, sia contenuti visivi, sia una connessione wireless per l'accesso a
internet.
Attraverso il web è possibile accedere alle applicazioni, navigare tra i contenuti,
effettuare il download o l'upload di file multimediali, visualizzare informazioni sul
meteo, sugli orari dei mezzi pubblici, scaricare la guida interattiva della città visitata,
accedere a podcast, e molto altro ancora.
All'interno di un museo, ad esempio, è possibile mandare in esecuzione file audio che
descrivano le opere presenti nella stanza al solo passaggio dell'utente, ricevere sul proprio
smartphone un video illustrativo, eseguire dei messaggi promozionali all'interno di un
negozio, segnalare eventuali ritardi di mezzi di trasporto alle persone in attesa in modo
automatico; è in grado quindi di adattarsi alle diverse situazioni.
I contenuti utilizzati sono disponibili online e possono essere facilmente configurati e
adattati dal proprietario tramite connessione remota in base al contesto in cui è applicato
il WiTube.
Successivamente verranno descritti più in dettaglio gli stati di funzionamento e i metodi
di comunicazione tra le diverse tecnologie presenti.
- 58 -
3.3.1.
Versioni Precedenti
Analizzando le versioni precedenti del WiTube è stato possibile studiare i punti deboli
presenti nel sistema, dovute principalmente a delle tipologie di sensori poco intuitivi per
l'utente. Questo ha reso necessario riprogettare anche l'apparato illuminante.
Di seguito verranno esaminati tutti gli aspetti che hanno caratterizzato lo sviluppo del
progetto fino ad arrivare alla versione attuale.
In una delle versioni sviluppate in passato sono stati utilizzati dei Sensori ad
"Ultrasuoni", per via della loro grande precisione e dell’elevato raggio di
funzionamento, dell’ordine di 3-5 metri. Di contro presentavano un costo elevato e una
bassa intuitività di funzionamento da parte dell’utente.
L'utilizzatore non riusciva a comprendere il funzionamento di tali sensori, scambiandoli
continuamente per switch meccanici. Inoltre la loro applicazione causava un impatto
visivo poco soddisfacente, allontanando l'idea iniziale di rendere il dispositivo
completamente minimalista (come è possibile vedere nelle successive immagini).
Questo sistema presenta alcuni limiti; come ogni altro tipo di fenomeno ondulatorio gli
ultrasuoni sono soggetti a fenomeni di riflessione, rifrazione e diffrazione, per questo
motivo influenzabili da parametri esterni dal sistema. L'impulso può essere infatti
riflesso, addirittura da una corrente d'aria. Una riflessione può avvenire all'interno di una
- 59 -
stanza, ad esempio da una parete o una finestra, il che rende necessaria una taratura
estremamente precisa.
In una versione successiva sono stati utilizzati invece dei sensori di tipo "touch resistivi"
posti direttamente sulla struttura esterna. Questa tecnologia richiede il tocco fisico del
sensore, in quanto si basa sulla misura della deformazione effettuata sull'elemento
sensore (una membrana, una lamina, un filo), causando quindi una variazione della
resistività elettrica, che verrà successivamente rilevata dalla piattaforma arduino.
Purtroppo questa tipologia di sensori presenta molti difetti. Il problema principale è la
stabilità della struttura sensoriale; i sensori, dovendo dipendere dalla deformazione della
superficie, necessitano di uno spazio "vuoto" dove poter essere alloggiati, senza alcun
sostegno rigido. Se l'utente effettua una pressione superiore a quella richiesta, rischia di
danneggiare seriamente la struttura. Inoltre l'applicazione risulta difficoltosa, soprattutto
considerando che il cilindro esterno è separato dalla struttura interna. In questa versione,
infine, non sono presenti sensori di prossimità e l'attivazione è possibile con la pressione
di uno dei sensori touch.
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Il WiTube fornisce continuamente feedback luminosi per segnalare lo stato in cui si
trova. In fase di Stand-By vengono effettuate delle pulsazioni lente per segnalare la sua
presenza nell'ambiente circostante, attirare l'utente ed invogliarlo ad interagire.
Se questo si avvicina, le pulsazioni accelerano fino ad arrivare in prossimità. Il sistema
entra nello stato di ON, la pulsazione termina ed il feedback luminoso rimane fisso su di
un colore indicando l'introduzione al canale predefinito, dopodiché inizia l'esecuzione
dell'applicazione corrispondente.
Durante il cambio di canale, vengono effettuate delle variazioni di colore per
contraddistinguere i diversi canali e rendere l'informazione percepibile anche
visivamente.
Purtroppo questa tipologia di LED crea un'illuminazione solo parziale della struttura,
lasciando intravedere ombre e con una potenza luminosa in alcuni casi troppo bassa per
poter essere utilizzata alla luce del sole o in ambienti troppo luminosi.
Inoltre il consumo di tali LED risulta molto elevato e con l'obbligo di creare circuiti di
potenza ad hoc per poterlo interfacciare con la scheda arduino e per poter controllare i
singoli colori.
- 61 -
3.3.2.
Ambiti di Utilizzo
WiTube ben si adatta ad un numero elevato di situazioni; la possibilità di personalizzarlo
a piacimento rende questo dispositivo estremamente versatile.
Il proprietario può accedere alla configurazione attraverso una pagina web dalla quale è
invitato a scegliere la collocazione desiderata.
Successivamente è possibile passare al controllo dei contenuti, inserendo i canali
prescelti e le applicazioni da eseguire.
- 62 -
Inoltre è possibile attivare eventuali sensori necessari al funzionamento in quel
particolare ambito, come ad esempio la visualizzazione della temperatura interna, capace
di impostare in maniera automatica il condizionamento dell'ambiente in cui è collocato.
Alcuni esempi di ambienti di utilizzo sono descritti di seguito:
In casa avrebbe un ruolo fondamentale: potrebbe risultare, oltre ad un semplice punto
illuminante, un dispositivo adatto all'intrattenimento. Le sue funzioni si possono adattare
alla riproduzione di file multimediali, webradio, news, previsioni meteo della propria
città, o addirittura, attraverso un collegamento al sistema domotico tramite rete WiFi o
eventualmente Zigbee, fungere da postazione di controllo della casa. Sarebbe possibile la
trasformazione dei "canali" in "funzioni", ad esempio: apertura/chiusura tapparelle,
innalzamento/abbassamento
dei
riscaldamenti
o
dell'illuminazione,
attivazione/disattivazione di allarmi, e molto altro ancora.
La vera innovazione sta nel fatto di non necessitare di un "libretto di istruzioni", cosicché
l'utente capisca subito le diverse funzioni man mano che avviene l'interazione, il tutto con
dei semplici gesti. Tutto questo può inoltre essere controllato tramite dispositivi mobile in
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remoto e attraverso un pc è possibile tenere sotto controllo tutte le funzioni e i dati
scambiati tra i sistemi.
In ufficio potrebbe fungere da sistema di comunicazione voip (attraverso l'installazione di
un microfono all'apparato), da postazione per le diverse news in ambito lavorativo, da
punto di controllo dei titoli azionari. In quest'ultimo caso verrebbe utilizzato un sistema
di visualizzazione simile all'"Ambient Orb", basato sulle variazioni di colore in base
all'andamento positivo o negativo delle stesse. Permetterebbe di gestire il riscaldamento e
l'illuminazione, fungerebbe da postazione informativa in una sala d'attesa per la
descrizione dei prodotti e dei servizi forniti dall'azienda. Anche in questo caso si possono
adattare le applicazioni e i contenuti all'ambiente in cui risiede il WiTube.
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In uno spazio pubblico, ad esempio un aeroporto o una stazione di mezzi pubblici è
possibile informare i viaggiatori di eventuali ritardi o cancellazioni delle corse tramite
messaggi multilingua. All'interno di un albergo, è possibile informare il cliente sulla
disponibilità di camere e dei servizi interni, in un negozio per le promozioni di nuovi
prodotti o, come già accennato, in un museo per descrivere le opere presenti all'interno di
una determinata stanza. E' inoltre possibile rendere l'esperienza ludica, utile per
l'intrattenimento di bambini in determinati eventi o ambienti come giardini pubblici
(attraverso l'applicazione di un'altra coppia di sensori ad un'altezza minore). Può essere
utilizzata per fini turistici, consigliando ai viaggiatori i migliori percorsi da seguire,
permettendo di scaricare mappe e file audio come guida multimediale della città, tutto sul
proprio dispositivo.
Le applicazioni sono infinite e molte sono ancora da scoprire. Nell'era delle smart cities,
un oggetto simile riuscirebbe a coniugare i servizi utili al cittadino, con il divertimento e
la facilità di interazione, rendendo l'esperienza piacevole e immediata.
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3.3.3.
Modifiche Introdotte
La versione del WiTube sviluppata ha una struttura cilindrica traslucida di colore bianco
e presenta 3 sensori nascosti al suo interno: 2 sono touch-sensitive (sensori touch) e un
proximity-sensitive (sensore di prossimità), sull'estremità superiore è presente inoltre il
diffusore audio.
Il sistema si divide principalmente in 3 parti: la base contenente l'elettronica, il sistema
illuminante ed il sistema sensoriale.
La base, contenente il cuore del sistema, comprende board, la quale comanda la parte
multimediale eseguendo tutte le applicazioni descritte in precedenza (SmartPlayer,
SmartControl, ecc). Consente inoltre all'apparato di connettersi alla rete WiFi per avere
accesso ad eventuali contenuti conservati in cloud o per l'interfacciamento attraverso
applicazioni web-based. Il sistema operativo installato è Ubuntu 10.04, insieme al Java
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Development Kit per le applicazioni multimediali, mentre e il controllo remoto avviene
attraverso rete WiFi o cavo Ethernet.
Il sistema si avvia automaticamente alla connessione con la rete elettrica, come anche
l'esecuzione dell'applicazione multimediale all'avvio del sistema operativo.
Tale scheda è connessa tramite una porta seriale (USB) alla piattaforma arduino, che
come già detto, si occupa della parte sensoriale e dell'illuminazione. Nella foto è possibile
intravedere la scheda arduino con la relativa connessione dei 3 cavi coassiali e della
scheda di alimentazione dei LED RGB.
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Tutta l'elettronica è posta nella parte inferiore della struttura, in modo da non creare
disturbo all'interazione; nella nuova versione verranno adottate soluzioni più compatte in
modo da potersi posizionare in uno spazio simile a quello occupato dalla scheda arduino.
La struttura presenta una base di appoggio di metallo, sulla quale risiede anche
l'alimentazione di tutto l'apparato.
Il sistema di illuminazione, posizionato in prossimità dell'elettronica, è composto da un
disco di alluminio dove sono stati applicati i LED RGBW, descritti precedentemente,
attraverso pasta termoconduttiva all'argento per il corretto smaltimento del calore in
eccesso.
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E' stato effettuato un collegamento a massa del disco, in modo che questo fungesse da
schermo contro eventuali disturbi causati dall'elettronica, oltre che da dissipatore del
calore generato e da supporto fisico per il tubo in plexiglass.
I LED, proiettando la luce verso l'alto, creano una diffusione per tutta la struttura fino a
svanire all'estremità superiore. La potenza totale è di circa 1400 lumen, ottenuta
attraverso l'accensione simultanea alla massima potenza di tutti i chip.
Il sistema sensoriale è composto principalmente da piastre metalliche; nel caso di questo
prototipo è stato scelto il rame per disporre di una maggiore sensibilità. Sarebbero state
rilevate maggiori prestazioni con l'utilizzo di un materiale con maggiore conducibilità
elettrica come l'argento, ma ovviamente la spesa del sistema sarebbe cresciuta
eccessivamente.
Le piastre sono connesse attraverso cavi coassiali alla scheda arduino e sorretti da
determinati supporti. L'utilizzo di cavi coassiali riduce in modo considerevole l'effetto di
eventuali interferenze. E' stata inoltre utilizzata una grafica in modo da camuffare
eventuali ombre presenti all'esterno della struttura e allo stesso tempo che informassero
l'utente delle interazioni possibili.
E' stato quindi necessario l'utilizzo di un supporto che fungesse da sostegno per
posizionare la struttura nel punto esatto di rilevazione. Per non creare ulteriori ombre è
stato utilizzato un tubo in plexiglass del diametro interno di 1 centimetro che potesse
alloggiare i suddetti cavi, e delle sezioni dello stesso materiale, che facessero aderire le
piastre alla superficie interna del cilindro.
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Il supporto è stato alloggiato nella parte posteriore della struttura interna del WiTube, in
modo tale che l'utente non sia in grado di rilevarne la presenza e allo stesso tempo la luce
non venga ostacolata.
Grazie alla compattezza del sistema è stato possibile posizionare i sensori touch ad
un'altezza di circa 1,5 metri dal terreno ed il sensore di prossimità a circa 1 metro.
La loro progettazione ha richiesto il rispetto di determinati parametri di sensibilità,
reattività e dimensioni, descritti successivamente.
Prendendo in esame i sensori touch-sensitive, qualsiasi progetto prevede l'utilizzo di uno
schema che includa, oltre alla piastra sensibile, anche un piano di massa (visibile in
figura).
La superficie del sensore è isolata dal piano di massa da un gap uniforme. Se si modella il
gap in maniera equilibrata, si possono controllare le linee di campo in modo da
direzionarle nella giusta quantità verso l'area sensibile. Se il gap è troppo piccolo,
verranno inviate verso massa una quantità elevata di linee di campo. Se invece è troppo
grande, non è più presente un controllo sul flusso di energia attraverso la superficie di
copertura. In molte situazioni le dimensioni scelte per il gap sono nell'ordine di 0.5mm e
sono adeguate per dirigere i campi dispersi attraverso superfici di 10mm.
Nel nostro caso il piano di massa implicherebbe un'area troppo ampia, il progetto richiede
infatti una superficie minima della placca, in modo da rendere i sensori invisibili
all'utente una volta ricoperta la zona sensibile con una grafica adeguata. Inoltre è
necessaria una sensibilità che faccia uscire le linee di campo di almeno 1 centimetro oltre
la superficie esterna della struttura.
Una tecnica per poter dirigere le linee di campo nell'area desiderata è quella di porre sulla
superficie del sensore un materiale con coefficiente dielettrico maggiore rispetto al
materiale presente nella parte posteriore della placca.
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Nel nostro caso il materiale posteriore è aria, mentre anteriormente è stato sovrapposto un
pezzo di plexiglass di 3mm in modo da allontanare il sensore dalla superficie interna del
WiTube così da poterne estrarre correttamente tutta la componentistica. La sezione di
plexiglass è sovrapposta alla placca del sensore utilizzando un film adesivo non
conduttivo.
La figura riporta la sezione trasversale del sensore, un cavo coassiale connette la placca
alla piattaforma arduino, e lo strato uniforme di plexiglass applicato frontalmente
rappresenta l'area sensibile.
La costante dielettrica εr del plexiglass è pari a 3,5, quindi superiore a quella dell'aria,
pertanto la maggior parte delle linee di campo si indirizzano verso l'esterno della
struttura. Questo accade perché il dielettrico influenza la quantità di carica, la quale può
essere immagazzinata nel materiale quando il campo tenta di trovare la strada più breve
verso massa.
Così facendo il sensore entra nello stato di ON solo se le linee si richiudono in presenza
del tocco umano, di un oggetto collegato a massa o di un qualsiasi portatore di carica
abbastanza vicino.
- 71 -
Il sistema inizialmente effettua una taratura dei sensori in modo da escludere eventuali
capacità parassite presenti nell’ambiente. Il funzionamento si basa sul superamento di
determinate soglie, essendo però il sistema ancora soggetto a valori rumorosi, si
utilizzano in aggiunta dei contatori a livello arduino così da escludere false rilevazioni. Si
crea infatti un’isteresi della funzione di trasferimento in modo che il sistema distingua
perfettamente, senza falsi allarmi, gli stati di ON e OFF. La velocità di generazione
delle letture delle capacità è di circa 50 valori al secondo, pertanto i contatori devono
essere calibrati in modo tale da non ritardare troppo il sistema.
Il valore del contatore dello stato di OFF, l'"off_threshold", è pari a 15, mentre quello per
lo stato di ON, l'"on_threshold", è pari a 3. Il settaggio dei due contatori e della soglia
determina le prestazioni del sistema e la reattività nella risposta all'interazione. Con
coperture molto spesse, il rapporto segnale/rumore risulta basso, pertanto il settaggio di
parametri in questo tipo di sistema è impegnativo e rappresenta una grande importanza
nel rilevamento capacitivo.
Il grafico seguente riporta la funzione di trasferimento dei sensori touch-sensitive
STATO SENSORE
rispetto ai conteggi delle rilevazioni.
ON
OFF
OFF-THRESHOLD
ON-TRESHOLD
CONTEGGI
Si vede che il sensore entra in stato di ON solo dopo che il valore supera la soglia per un
numero di volte superiore al valore imposto dalla costante on_threshold. Lo stato di OFF
è invece ricevuto solo dopo che il valore rilevato scende al di sotto della soglia per un
valore imposto dalla costante off_threshold. Il contatore in off è molto importante,
permette infatti di eseguire la modalità "Slide" tra i 2 sensori. In questo modo si evitano
- 72 -
errori di rilevazione del singolo tocco e allo stesso tempo non si incide sulle prestazioni
del sistema.
Il successivo grafico descrive l'andamento dell'isteresi del sensore di prossimità. E'
possibile notare come, essendo un sistema molto aleatorio, le soglie permettono un
cambio netto tra i vari stati e non lineare come con i sensori ad ultrasuoni. Le 3 soglie di
funzionamento riguardano gli stati di: Stand-By, Rilevazione e Interazione. A livello
software viene permesso il passaggio in maniera progressiva fino allo stato di Interazione
(ON). Lo stato di Stand-By avviene solo dopo che il valore rilevato dal sensore di
prossimità si trova perennemente al di sotto della soglia di Rilevazione.
STATO SENSORE
INTERAZIONE
RILEVAZIONE
STAND-BY
SOGLIA 1
SOGLIA 2
SOGLIA 3
CONTEGGI
Il sistema, come nel prototipo precedente, effettua nello stato di Stand-By delle
pulsazioni lente per attirare l'utente ad interagire. Una volta che questo si trova nella zona
di Rilevazione (≈1,5 metri), la pulsazione aumenta la velocità. Nel momento in cui si
supera la zona di Interazione (≈50 centimetri) il WiTube entra nello stato di ON, termina
la pulsazione e segnala l'accensione del sistema con un flash a lunga durata.
La differenza sostanziale con i prototipi precedenti è che in questo tipo di tecnologia
sensoriale non è possibile effettuare misure esatte, perché continuamente soggette a
- 73 -
rumore. Il funzionamento del sensore di prossimità è stato quindi trasformato in una
modalità che reagisce ad aree con diversa sensibilità.
Il prossimo grafico visualizza il livello di soglia dei contatori e gli stati del sensore,
senza la componente rumorosa normalmente presente.
Stati
on_threshold
off_threshold
Tempo
La forma d'onda reale della rilevazione di un touch-sensitive, dopo la pressione di 6
secondi, è rappresentata nella seguente figura, sovrapposto al cambiamento di stato del
sensore. Si può notare come dopo il conteggio di 3 valori al di sopra della soglia avvenga
il cambio nello stato ON e che dopo la rilevazione di 15 valori al di sotto della soglia
avvenga lo stato di OFF.
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Grazie agli ultimi sviluppi, e le nuove tecnologie disponibili, i sensori capacitivi
permettono di aumentare di molto la sensibilità del sistema grazie all'affidabilità del
circuito di rilevazione. La distanza di rilevamento dei sensori risulta per i touch-sensitive
intorno a 2-3 centimetri dalla placca, mentre per proximity-sensitive intorno a 1,5 metri.
Permettono inoltre di ridurre i costi al punto tale da renderli convenienti per molti altri
prodotti consumer, potendone installare attraverso alcuni accorgimenti, un numero molto
elevato. A differenza dei normali switch meccanici, tali sensori presentano un
deterioramento nullo, dato che la superficie non viene mai a contatto con l'utente,
requisito importante per dispositivi touch.
Grazie alla loro grande adattabilità è possibile posizionarli all'interno di qualsiasi
dispositivo, integrarli in apparecchi già esistenti o all'interno di ambienti, il tutto con il
vantaggio di nasconderli all'occhio dell'utilizzatore.
L'interazione attraverso i sensori capacitivi è solo uno dei due sistemi di controllo
possibili di cui l'utilizzatore dispone; successivamente verranno descritti i diversi stati di
funzionamento e le metodologie di controllo da parte di utente e proprietario.
3.3.4.
Stati e Funzionamento del Sistema
Il sistema è stato progettato in modo da permettere un gran numero di azioni differenti,
dipendenti dagli input ricevuti dall'utilizzatore e dal setting effettuato dal proprietario.
Innanzitutto il metodo di comunicazione tra la scheda arduino e le diverse applicazioni
java, ad esempio SmartPlayer, avviene tramite "pacchetti" attraverso una comunicazione
seriale, e non in maniera continua.
Viene utilizzato questa metodologia di comunicazione in modo tale da inviare
informazioni solo in caso di cambiamento di stato di almeno uno dei sensori. La CPU, in
una comunicazione standard, leggerebbe continuamente le informazioni presenti,
sprecando inutilmente risorse, dato che lavorerebbe perennemente al massimo carico.
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Viene prevista perciò una struttura formata da:
 pacchetto di accensione, utilizzato per impostare il sistema in stato di ON;
 pacchetto di apertura, informa il sistema di un cambiamento di stato di almeno
un sensore;
 pacchetto di informazione, indica l'effettiva informazione trasferita, segnalando
cambi di stato dei sensori, denominati "rilevazione" per lo stato di ON e "standby" per lo stato di OFF;
 pacchetto di chiusura, informa il sistema della chiusura del sistema di
comunicazione; questo è dovuto alla cessata rilevazione da parte di uno o più
sensori.
Nel momento in cui l'utente si avvicina alla struttura portandolo nella modalità di ON, il
software arduino invia la stringa di accensione del sistema all'applicazione java e,
contemporaneamente, disabilita la rilevazione del sensore di prossimità e attiva i sensori
touch.
In fase di spegnimento invece avviene l'opposto. Viene gestito interamente dalla parte
java, la quale esegue un file sonoro di segnalazione e, dopo un intervallo di alcuni
secondi (per permettere all'utente di allontanarsi), avverte la piattaforma arduino, la quale
attiva nuovamente la rilevazione del sensore di prossimità e disabilita i sensori touch.
Stringa di accensione:
S1=<50>S2=<50>S3=<50>
S1=<50>S2=<50>S3=<50>
S1=<50>S2=<50>S3=<50>
Successivamente il sistema esegue l'applicazione impostata dal proprietario; nel caso
fosse lo SmartPlayer, questo procederà con la riproduzione della prima traccia del canale
predefinito. Contemporaneamente avvia la rilevazione dai sensori touch-sensitive e
- 76 -
attende un input. Quando uno dei due entra in stato di "rilevazione" il software arduino
provvede ad inviare la stringa di apertura del pacchetto informativo. Il pacchetto
aperto indica che qualsiasi stringa successiva è sicuramente informativa, verrà eseguita
così l'azione corrispondente solo dopo aver ricevuto la stringa di chiusura del
pacchetto. Contemporaneamente vengono eseguiti gli eventuali effetti visivi, ad esempio
durante il "cambio canale" il colore della struttura varia.
Si evitano così false rilevazioni, soprattutto grazie al contributo congiunto dei contatori di
on_threshold e off_threshold descritti precedentemente.
La variabile presente nella stringa informativa è in forma booleana ed indica
semplicemente lo stato dei sensori.
77
Nel WiTube sono presenti 2 modalità di interazione tattile differenti: una è il "Tocco" e
l'altra la "Slide".
Di seguito l'esempio dell'interazione con il sensore S1:
Tocco:
S1=<991>S2=<991>
stringa di apertura pacchetto
S1=<1>S2=<0>
stringhe informative
S1=<1>S2=<0>
...
S1=<1>S2=<0>
S1=<1>S2=<0>
S1=<992>S2=<992>
stringa di chiusura pacchetto
S1=<999>S2=<999>
Il modello utilizzato risulta semplice e con la possibilità di inviare una grande varietà di
comandi corrispondenti ad interazioni diverse. Nel WiTube il "Tocco" serve per il
cambio del canale nello SmartPlayer; se si utilizzano dei Podcast è possibile il cambio del
documento o della stazione webradio. Il sistema è adattabile a qualsiasi situazione e a
qualsiasi applicazione.
Il metodo "Slide" (nell'esempio seguente il riferimento al verso è da S1 a S2, ovvero da
sinistra a destra), utilizza uno dei 2 sistemi indicati:
Slide1:
Slide2:
S1=<991>S2=<991>
S1=<991>S2=<991>
S1=<1>S2=<0>
S1=<1>S2=<0>
S1=<1>S2=<0>
S1=<1>S2=<0>
S1=<1>S2=<1>
S1=<1>S2=<0>
S1=<0>S2=<1>
S1=<0>S2=<1>
S1=<0>S2=<1>
S1=<0>S2=<1>
S1=<992>S2=<992>
S1=<992>S2=<992>
S1=<999>S2=<999>
S1=<999>S2=<999>
78
Ovviamente è possibile anche la "Slide" inversa da S2 a S1 (da destra a sinistra).
Tale modalità agisce sul cambiamento del contenuto multimediale all'interno dello stesso
canale, è quindi possibile eseguirlo in maniera crescente o decrescente.
Quando l'utente passa la mano dal sensore S1 al sensore S2 può eseguire il movimento
con diverse velocità. Se questa risulta alta, la mano sarà correttamente rilevata prima dal
sensore S1 e poi da S2 con qualche stringa che presenta l'attivazione di entrambi i
sensori. Se invece risulta bassa ci sarà un punto dove la mano non viene rilevata da
nessun sensore, questo è il caso della "Slide2".
Il metodo di apertura e chiusura pacchetti insieme al sistema di contatori di on_threshold
e off_threshold, rende possibile una definizione più chiara dei comandi, in modo tale che
il sistema sia in grado di distinguerli perfettamente. In caso di assenza dei contatori e
dell'apertura e chiusura dei pacchetti ci sarebbero delle interpretazioni errate.
Un esempio si avrebbe nel caso il sistema confonda la "Slide" con una pressione
successiva di S1 e di S2:
Pressione successiva di S1 e S2:
Slide1:
S1=<1>S2=<0>
S1=<1>S2=<0>
S1=<1>S2=<0>
S1=<1>S2=<0>
S1=<0>S2=<0>
S1=<0>S2=<1>
S1=<0>S2=<1>
S1=<0>S2=<1>
S1=<0>S2=<1>
S1=<0>S2=<1>
Come si vede in questo caso i comandi potrebbero non essere interpretati correttamente
dal sistema.
Essendo un prototipo, la struttura attuale è "momentanea", soggetta a continui sviluppi e
cambiamenti in base alle esigenze e i problemi riscontrati. Implementando un maggior
numero di sensori sarebbe possibile aumentare le diverse interazioni.
79
Una di queste potrebbe essere il tocco simultaneo di entrambi i sensori, ad esempio per il
cambio di modalità tra diversi sistemi di controllo:
Tocco simultaneo di S1 e S2:
S1=<991>S2=<991>
S1=<1>S2=<1>
S1=<1>S2=<1>
S1=<1>S2=<1>
S1=<1>S2=<1>
S1=<1>S2=<1>
S1=<992>S2=<992>
S1=<999>S2=<999>
Essendo però la priorità del sistema "l'intuitività", non è possibile creare combinazioni
complicate di essi.
Lo spegnimento del sistema avviene tramite un tocco prolungato del pulsante S1 per
almeno 5 secondi, ma in questo caso il contatore è gestito dall'applicazione java.
La piattaforma arduino, oltre ad inviare informazioni sullo stato di sensori, viene
interpellato dalle applicazioni java per la gestione del sistema illuminante. Quando
l’utente, ad esempio, effettua un cambio di canale nel sistema, questo informa la
piattaforma arduino di eseguire il colore associato a quel determinato canale.
In altre parole, la comunicazione tra le diverse piattaforme all’interno del sistema
permette di sincronizzare le azioni dell’utente con i feedback restituiti dal sistema.
80
3.3.5.
Problematiche Incontrate
Lo sviluppo di un progetto che utilizza tecnologie innovative e sistemi completamente
diversi tra loro ha generato alcune problematiche. Le principali sono state sicuramente a
livello hardware, questo perché l'utilizzo di sensori capacitivi ad alta sensibilità impone il
rispetto di determinati requisiti per il corretto funzionamento.
Innanzitutto è stato riscontrato che la struttura precedente non era adatta all'utilizzo di
questo tipo di sensori, dipendente dal materiale metallico di cui era composta. Tale
materiale permetteva alle linee di campo di richiudersi su se stesso, per via del
collegamento a massa di cui era dotata. Ovviamente implicava un problema nell'ottenere
una buona rilevazione, causando interferenze dipendenti tra i diversi sensori. Pertanto è
stato necessario riprogettare l'intera struttura interna.
Per poter ottenere un'ampia sensibilità era necessaria una superficie della placca
maggiore, questo creava delle ombre interne che erano esteticamente non gradevoli.
Inoltre la variazione della grandezza del sensore implicava un ridimensionamento delle
resistenze e dei valori di soglia, un lavoro arduo per evitare malfunzionamenti.
A livello software sono state inizialmente trovate alcune difficoltà sulla fattibilità
dell'interazione "Slide". I sensori risultavano troppo lontani, per cui la singola interazione
veniva spesso scambiata in altre azioni. L'unico modo per poterlo evitare era
l'avvicinamento dei sensori, ma così facendo sarebbero aumentati in maniera
considerevole i disturbi. La soluzione a tale problema si è trovata con la
pacchettizzazione delle comunicazioni e con l'utilizzo dei contatori di on_threshold e
off_threshold.
Un ulteriore problema causato dal sistema arduino era dovuto al fatto che, essendo un
sistema ciclico, effettuava le diverse operazioni in single threading. Ad esempio durante
la rilevazione dei sensori non era possibile eseguire altre azioni contemporaneamente, è
stato quindi necessario adattare l'intero sistema di rilevazione in modo tale da evitare di
tenere perennemente occupata la logica e pregiudicare la reattività dell'intero sistema.
Attraverso alcune modifiche software è stato possibile aggirare questo problema ed
eseguire una serie di istruzioni quasi in multi threading. Un miglioramento della velocità
81
si è reso possibile grazie ad uno switch di disattivazione dei sensori. Durante la fase di
Rilevazione vengono disattivati i sensori touch-sensitive mantenendo attivo il sensore di
proximity-sensitive, viceversa nella fase di Interazione.
Nello sviluppo della parte di controllo luci, soprattutto gli effetti dinamici, si è dovuto
tenere conto di tali problematiche, dato che il controllo agiva continuamente su
incrementi o decrementi di variabili adibite a impostare la potenza necessaria di
alimentazione dei LED. Questo teneva continuamente impegnato il sistema, lasciando
pochi istanti di tempo ad altre operazioni possibili.
Altri problemi si sono avuti con il sistema di illuminazione: è stato arduo progettare un
sistema che potesse accogliere dei LED ad alta potenza in uno spazio esiguo, ma ancora
di più lo è stato convogliare l'intero fascio di luce nella porzione desiderata della
struttura.
L'utilizzo di lenti a gradazioni troppo strette implicava un fascio incapace di distribuirsi
su tutto il corpo della struttura ma solo nella parte superiore.
Con lenti a fascio troppo largo invece la luce risultava eccessiva alla base ed assente
superiormente. Attraverso delle prove effettuate sul campo è stato possibile individuare la
giusta gradazione per ottenere il miglior risultato possibile con quella tipologia di LED.
82
3.4.
WiMirror
Sulla base dei concetti visti, è stato sviluppato un secondo prototipo, pensato soprattutto
per un uso domestico, che riuscisse a mimetizzarsi in un oggetto di uso comune e che
richiudesse in uno spazio ridotto tutte le componenti necessarie al suo funzionamento.
Il WiMirror, anch'esso della categoria Ambient Electronic Devices, è uno specchio
dotato di un sistema multimediale "celato". Com'è possibile vedere in foto, la particolare
pellicola di cui è dotato permette di riflettere l'immagine frontale e, attraverso
determinate condizioni, permette la visione della zona posteriore rendendolo
semitrasparente.
Questo particolare sistema di riflessione/rifrazione della luce è possibile grazie ad un
bilanciamento della quantità luminosa da ambo le superfici della pellicola, descritto più
in dettaglio successivamente.
L'apparato sensoriale è costituito anche stavolta da sensori capacitivi, posti dietro la
superficie della struttura in plexiglass di 4 millimetri e la relativa pellicola. La particolare
forma e il ridottissimo spessore delle placche sensibili si è adattato perfettamente alla
struttura dello specchio.
Come tutti i dispositivi della categoria, la sua collocazione può risultare in qualsiasi
ambiente domestico, lavorativo e pubblico. La particolare struttura gli permette di
mimetizzarsi con l'ambiente circostante rivelandosi solo al momento che l'utente entra nel
suo raggio di rilevamento.
83
A differenza del prototipo WiTube, presenta un'uscita video a matrice di LED integrata,
utile per inviare informazioni visive di ogni genere direttamente sull'apparato.
L'interazione avviene in maniera touchless, principalmente per evitare che lo specchio si
sporchi. Le possibilità di interazione sono: attraverso il sensore proximity-sensitive,
tramite i sensori touch-sensitive o utilizzando dispositivi portatili attraverso la rete
Internet.
Il sistema è dotato di alcuni sensori al suo interno per permettere una visualizzazione dei
dati rilevati o l'automazione di avvisi e azioni.
E' inoltre presente un altoparlante per la fruizione di file multimediali e avvisi acustici.
Successivamente saranno descritti gli stati di funzionamento e le capacità di questo
dispositivo.
3.4.1.
Ambiti di Utilizzo
Il principale ambiente a cui è dedicato il WiMirror è quello domestico. L'utilizzo di un
dispositivo capace di mimetizzarsi in casa lo rende elegante e allo stesso tempo
funzionale, diventando l'accessorio di comunicazione principale, anche più della tv.
Potremmo usufruire di tutte le informazioni desiderate semplicemente guardando lo
schermo, mentre viene sintonizzata la webradio preferita, dopo aver controllato le
previsioni giornaliere, il tutto in maniera semplice e veloce.
La sua facile integrazione con sistemi domotici fa si che il suo sviluppo, in futuro, prenda
sempre più in maniera decisa questa strada.
Uno dei possibili scenari potrebbe essere quello di usufruire della sua praticità ed
ergonomia per comandare sistemi più complessi sfruttando reti di sensori e di apparecchi.
Utilizzando i sensori presenti si aggiungerebbero dati di rilevazione al sistema domotico,
ottimizzando ulteriormente i consumi e aumentando le automazioni presenti all'interno
dell'abitazione.
84
Naturalmente il suo utilizzo è aperto anche ad ambienti differenti, gli uffici ad esempio,
dove sarebbe possibile utilizzarlo come un pannello informativo o addirittura come
sistema di controllo di apparati audio visivi per teleconferenze, le opzioni sono infinite.
Nulla vieta che possa essere utilizzato in ambienti pubblici, come stazioni o aeroporti, ma
la sua progettazione, pensata per essere "mimetizzato" nell'ambiente in cui è utilizzato,
avrebbe poche possibilità di attirare l'attenzione delle persone di passaggio.
3.4.2.
Apparato e Sensori
La struttura principale, una sezione di plexiglass con trasparenza del 99%, presenta una
larghezza di 800 millimetri, un'altezza di 600 millimetri ed uno spessore di 4 millimetri.
Attraverso l'applicazione di una speciale pellicola riflettente unilaterale, sulla superficie
posteriore della sezione di plexiglass, si è creato l'effetto di una struttura specchiata con
fattore di riflessione pari all’84% e, bilanciando in modo opportuno la quantità di luce,
un indice di rifrazione del 70%.
Il particolare effetto si è ottenuto mediante l'utilizzo di fonti luminose collocate nella
parte posteriore della struttura. In tal modo, all'accensione di tali dispositivi, viene
aumentata la quantità di luce, in modo da contrastare quella ambientale, ed essere quindi
visibile all'utente.
Il sistema di illuminazione è collocato ai bordi della struttura in posizione verticale, dove
sono posizionate 2 file di LED White SMD su PCB di 450mm, adibite a fornire
illuminazione all’utente.
85
La particolare conformazione della fonte luminosa permette alla struttura di mantenere
l'80% di area ancora adibita alla riflessione dell'immagine, mentre il 20% diviene
"trasparente" per il corretto passaggio della luce.
Il sistema sensoriale si trova nella zona centrale, dove risiedono 2 sensori touch-sensitive
e un sensore touch-proximity. Il funzionamento è pressoché identico al WiTube, le
differenze riguardano la forma e le dimensioni dei sensori. Nella progettazione non vi
erano vincoli sulla grandezza, è stato quindi possibile calibrare il bilanciamento dei flussi
di campo per ricevere un feedback a distanze di 5 centimetri dalla superficie per i sensori
touch e circa 1 metro per il sensore di prossimità.
All’estremità superiore della struttura è posizionata invece l'elettronica: trova posto la
scheda arduino (dotata di modulo Zigbee), la board di comando del sistema illuminante,
la scheda madre (modello BeagleBoard, dalle dimensioni estremamente ridotte e allo
stesso tempo dalla discreta potenza), per permettere la gestione multimediale e il
collegamento alla rete, e centralmente un display a matrice di LED per la visualizzazione
di informazioni e l'altoparlante.
Il display, modello Sure Electronics HT1632-based 8x32 Green LED dot-matrix, è una
matrice di 8x32 LED di colore verde posizionati su di un’unica board, capace di
visualizzare un gran numero di caratteri o forme diverse. E’ possibile modulare insieme
più matrici per formare un unico schermo con dimensioni maggiori.
La parte posteriore della struttura, dopo aver collocato il display e l'illuminazione a LED,
è stata rivestita di una seconda pellicola di colore nero. La sua funzione è quella di
86
nascondere tutte le parti che non necessitano di essere viste (creando una zona dove la
luce non riesce a penetrare) e, quindi, a rendere la struttura completamente riflettente alla
vista dell'utilizzatore.
All'accensione del display, la maggior parte della superficie dello specchio rimane
riflettente, permettendo alla luce di fuoriuscire solo nell'area coperta dalla matrice di
LED. Grazie all'impiego di particolari LED ad angolo stretto e ad alta illuminazione, la
matrice risulta perfettamente visibile con qualsiasi luce artificiale presente.
La matrice e il PCB di LED, in modalità spenta, risultano invisibili all’utente, questo
perché privi di qualsiasi illuminazione. I LED accesi aumentano la quantità di luce
emessa posteriormente, causando una rifrazione solo nella zona dove è presente la
matrice o il PCB. Per funzionare a dovere, il bilanciamento deve essere netto, infatti non
sarebbe possibile utilizzare un tale sistema alla luce del sole, poiché la potenza necessaria
sarebbe troppo elevata.
Il feedback sonoro è affidato ad un particolare altoparlante (modello WOWee, visibile in
figura), applicato direttamente alla superficie posteriore dello specchio, in modo da
risultare nascosto all'utente. Sfruttando l'intera superficie del WiMirror come cassa di
risonanza le vibrazioni vengono propagate direttamente dalla struttura in plexiglass,
fornendo al contempo una potenza adeguata alle necessità del sistema e l'occupazione di
uno spazio minimo.
Sulla struttura sono inoltre presenti dei sensori collegati direttamente con la scheda
arduino, fornendo informazioni utili al sistema e all’utente, che saranno in grado di
automatizzare determinate azioni.
87
Trovano posto un sensore di temperatura, un sensore di luminosità ambientale, e un
sensore di flusso idrico (esterno alla struttura, da posizionare in serie alla tubatura di un
eventuale lavandino, adeguato per l'utilizzo in stanze da bagno).
3.4.3.
Stati e Funzionamento del Sistema
Il funzionamento del WiMirror presenta molte similitudini con il sistema WiTube; le
differenze sostanziali sono perlopiù nello sfruttamento delle rilevazioni dei sensori
ambientali.
Il sistema operativo utilizzato è Ubuntu 10.04; con l'ausilio del Java Development Kit è
stato permesso l'utilizzo delle applicazioni multimediali, oltre ovviamente al sistema
arduino che permette la rilevazione da parte di tutti i sensori e il controllo del sistema
illuminante.
Inizialmente il sistema si trova nello stato di Stand-By (non è presente alcun feedback,
all’occhio dell’utente appare un normalissimo specchio, ad eccezione di un piccolo LED
che segnala lo stato di operatività), sfrutta quindi il sensore di prossimità per verificare la
presenza di eventuali utilizzatori all’interno del raggio di rilevamento. Se un utente viene
rilevato per un tempo maggiore di 5 secondi, lo stato passa a quello di Interazione, viene
disattivato il sensore di prossimità e contemporaneamente i sensori touch iniziano la
rilevazione.
Attraverso il sensore di luminosità ambientale il sistema decide in modo automatico (solo
se l’illuminazione risulta insufficiente) l’accensione dei LED presenti nell’apparato.
Questi rimarranno accesi finché l’utente non si allontana dalla zona di rilevazione,
scansionata continuamente ogni 30 secondi. Nel caso si allontanasse dal dispositivo per
un tempo superiore, verranno resettate tutte le funzioni in esecuzione e il sistema ritorna
nuovamente allo stato di Stand-By, disattivando in maniera inversa i sensori capacitivi.
Durante lo stato di Interazione l’utente può scegliere quale applicazione mandare in
esecuzione (meteo, webradio, podcast, file multimediali, volume), attraverso il singolo
88
"Tocco" di uno dei sensori touch-sensitive. La modalità "Slide" invece, permette il
cambio traccia, di scegliere la stazione webradio o di alzare/abbassare il volume. Nel
frattempo sullo schermo vengono visualizzati eventuali note informative riguardo la
stazione scelta, il nome del brano, il livello del volume ecc.
A intervalli regolari vengono alternate sullo schermo informazioni utili come la
temperatura ambientale, l'orario, la data e il giorno attuali e le previsioni meteo
giornaliere della propria città.
Tutti i contenuti, come nel caso del WiTube, possono essere gestiti tramite applicazioni
web e impostati a piacimento dal proprietario. Possono risiedere nella struttura stessa o
conservati in cloud per un facile accesso e per essere immediatamente modificabili.
Il WiMirror possiede anche un lato "green", permette infatti di sfruttare il sensore di
flusso idrico per controllare eventuali sprechi di acqua e segnalarli all'utente con diverse
segnalazioni. Se viene aperto il rubinetto, la matrice LED termina l'operazione corrente e,
attraverso una grafica animata, permette la visualizzazione del consumo effettuato
nell’arco di tutta la sessione di utilizzo. Se la quantità di flusso risultasse al di sopra di
una soglia prefissata viene emesso un avviso sonoro e lo schermo emette delle pulsazioni
veloci, terminerà solo quando verrà ridotto o interrotto.
Il sistema monitora inoltre il consumo totale, se questo supera una prima soglia viene
inviato un impulso sonoro e lo schermo pulsa lentamente per 3 secondi. Nel momento in
cui la quantità d’acqua consumata supera una seconda soglia, lo schermo effettua delle
pulsazioni rapide e il sistema emette un avviso sonoro prolungato. Ogni spreco ulteriore
verrà segnalato allo stesso modo ad intervalli regolari.
Questo stratagemma cerca di indurre l’utente ad un attento risparmio delle risorse idriche,
segnalando eventuali sprechi o consumi eccessivi, in maniera mirata e divertente,
inducendolo ogni giorno a rispettare la quantità massima di acqua consentita.
Un'ulteriore vantaggio riguarda il consumo elettrico dell'intero dispositivo, il quale risulta
estremamente ridotto. Il motivo è che tutti i componenti presenti all'interno sfruttano
tensioni continue di 12V e pochi Ampere di assorbimento, pertanto con un singolo
trasformatore è possibile alimentarli tutti. In stato di Stand-by il consumo risulta inferiore
89
al Watt, mentre durante l'Interazione, considerando tutti i sistemi alla massima potenza, è
pari a circa 20 Watt.
Il futuro sviluppo di questo apparecchio porterà allo sfruttamento del modulo Zigbee
integrato per l'interconnessione con sistemi domotici, e quindi il controllo di una serie di
funzioni (controllo consumi, luci, condizionamento, tende, tapparelle, sicurezza, ecc).
Ad esempio se il sistema rilevasse una fuga di gas, un allagamento o una violazione della
sicurezza, comunicata al sistema da appositi sensori attraverso la rete Zigbee, scatterebbe
un all'arme sonoro nel WiMirror che comunicherebbe istantaneamente il pericolo. Nel
caso l'allarme non venisse fermato manualmente per l'assenza del proprietario, l'avviso
potrebbe essere esteso attraverso notifiche sms o via email per un tempestivo intervento
da parte dell'utente.
Questo è solo uno dei tanti esempi realizzabili, si aprirebbero contesti di utilizzo ben più
ampi, ad esempio diventando il pannello di controllo di un intero sistema domotico
completamente integrato nell'ambiente.
3.4.4.
Problematiche Incontrate
Uno dei problemi principali è stato causato anche stavolta dai sensori capacitivi, perlopiù
inerenti l'ambito di utilizzo del sistema. L'apparecchio può essere collocato ovunque, ma
il fatto che la sua postazione risulta obbligatoriamente ravvicinata ad un muro,
compromette la precisione dei sensori.
Le linee di campo, come già detto, seguono la "strada più facile" e questa situazione fa si
che possano richiudersi verso massa su una moltitudine di oggetti metallici presenti nelle
vicinanze. Nel caso fosse posto in una stanza da bagno, la presenza di tubature dietro la
parete potrebbe compromettere l'utilizzo del sensore di presenza.
La soluzione è stata quella di utilizzare un materiale con coefficiente dielettrico simile
all'aria, il polistirolo (εr ≈1,05), nella parte posteriore dei sensori e porre un piano di
massa dove le linee possano richiudersi. Questo fa in modo che la maggior parte delle
90
linee escano dalla parte frontale, riuscendo ad avere un raggio di sensibilità di circa 1
metro (prendendo in esame il sensore di prossimità), più che sufficiente per l'utilizzo a
cui è destinato.
Il dispositivo richiedeva inoltre un accorgimento che permettesse al sistema di
comportarsi sia da specchio che da pannello trasparente. Sono state valutate moltissime
soluzioni, alcune molto costose come pannelli con determinate caratteristiche di
rifrazione, ma la scelta è ricaduta sull'utilizzo di una particolare pellicola riflettente. Il suo
costo irrisorio e la facile applicazione su pannelli di vetro o plexiglass, ha permesso di
mantenere l'indice di riflessione e la trasparenza a valori vicini a quelli richiesti dal
progetto.
91
4. Conclusioni e Ringraziamenti
Conclusioni
La progettazione di questi apparati mi ha permesso di capire i punti di forza e soprattutto
i limiti imposti dall’utilizzo di queste tecnologie, soprattutto per quanto riguarda la
regolazione dei sensori capacitivi, il loro range di funzionamento e le applicazioni
possibili.
Attraverso la risoluzione dei problemi riscontrati durante la fase di progettazione e
realizzazione, sono riuscito a considerare tutte le variabili possibili presenti in un sistema
così complesso, acquisendo la consapevolezza che niente può essere sottovalutato.
Studiando il sistema di controllo arduino ho avuto l'opportunità di sviluppare nuove
applicazioni in ambito multimediale, di applicarle a sistemi diversi e di integrarli in
dispositivi innovativi.
Grazie allo sviluppo di questa tesi ho potuto conoscere il mondo dell'ICT, facendomi
partecipe della progettazione e dello sviluppo di nuovi dispositivi, imparando a lavorare
in team e a risolvere le normali problematiche presenti in un'azienda.
Ringraziamenti
Un particolare ringraziamento va al team della società Liquidweb che mi ha
accompagnato per tutto il periodo di sviluppo di questa esperienza.
In particolare:
All'Ing. Pasquale Fedele, sempre presente e disponibile durante le fasi di progettazione,
aiutandomi con consigli e suggerimenti sulle modifiche da apportare ai sistemi;
All'Ing. Alessandro Gronchi, il quale mi ha permesso di imparare e utilizzare i concetti
alla base dei progetti;
Alla mia ragazza, la quale mi ha sostenuto durante tutto il periodo di sviluppo della tesi.
92
Materiale Consultato
[1] http://www.boston.com/business/technology/innoeco/2012/01/ambient_devices_shifts
_focus_f.html
[2] http://www.ibm.com/smarterplanet/us/en/smarter_cities/overview/index.html
[3] http://www.smart-cities.eu/model.html
[4] http://www.greenews.info/comunicati-stampa/londra-2012-ge-energy-installa-120colonnine-per-ricarica-veicoli-elettrici-20120529/
[5] http://www.wikinvest.com/concept/Cloud_Computing
[6] http://www.confindustria.ud.it/portale/progetti/Itclub/doc/Sipro.pdf
[7] http://www.liuc.it/person/lmari/fdm/Concetti_generali.Alcuni_principi_di_
trasduzione.Cenni_alle_tecnologie_di_realizzazione.pdf
93

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