Sapere quali siano le sue componenti ci aiuterà a capire che cosa sia l'IoT. L'IoT ha quattro componenti fondamentali:
Sensori ed attuatori: queste componenti ricevono informazioni dall'ambiente ed interagiscono con esso. I sensori raccolgono i dati mentre gli attuatori permettono ai sensori di svolgere determinate azioni. Nell'esempio della macchina del caffè i sensori monitorizzano quando l'utente si sveglia ed un attuatore comincia a fare il caffè.
Connettività: i sensori e gli attuatori sono connessi a un cosiddetto gateway. Il gateway è responsabile per la comunicazione con i sensori e gli attuatori vicini, traducendo i messaggi in un formato comune che viene poi caricato su un servizio di cloud su internet. La comunicazione tra il gateway ed i sensori e attuatori è solitamente wireless, ma è possibile anche una connessione via cavo. I servizi di cloud sono solitamente molto attenti alla privacy (per saperne di più su questo tema ci si può rivolgere al nostro corso sulla Rivoluzione digitale e sulla Cybersecurity).
Cloud: il “cloud” di computer, un network di computer su internet, è responsabile per lo stoccaggio e l'analisi dei dati che permette di prendere delle decisioni intelligenti. L'analisi comporta regole semplici o algoritmi complessi di intelligenza artificiale (IA). Ulteriori informazioni sul tema dell'IA sono disponibili nel corso Elementi di IA.
L'interazione umano-macchina (IUM): Gli utenti supervisionano i dati e la loro analisi attraverso un'interfaccia utente apposita (IU) o attraverso smartphone e tablet con applicazioni specifiche. Lo scopo dell'IUM in un sistema IoT è quello di informare l'utente e permettergli di bypassare le decisioni automatizzate se necessario.
Sensori, attuatori ed interfacce utenti
L'ampio numero di sensori ed attuatori possibili rende i sistemi IoT molto flessibili. Combinando i sensori e gli attuatori in modo diverso, i sensori possono venir personalizzati per soddisfare una varietà di esigenze. In questa sezione si approfondirà il tema dei sensori, degli attuatori e delle IU che fanno parte dell'IoT.
Ci sono due tipi di sensori: sensori generici e sensori specifici.
I sensori generici utilizzano dispositivi comuni come le macchine fotografiche ed i microfoni per raccogliere dati. In questo caso i dati, per esempio immagini o suoni registrati, vengono analizzati dalle applicazioni e dagli algoritmi di un computer.
I sensori specifici, preposti alla misurazione di valori specifici, vengono pensati per essere a basso costo, efficienti dal punto di vista energetico e/o robusti. I sensori specifici richiedono solitamente soluzioni software più semplici rispetto ai sensori generici. Tra questi sensori si contano i termometri, i misuratori di umidità, i rilevatori di movimento, i misuratori del battito cardiaco, gli elettroencefalogrammi ed i sensori di peso.
In relazione a questi due tipi di sensori, per esempio il rilevamento di movimento può avvenire in vari modi:
si può usare una telecamera per riconoscere una particolare persona o per rilevare movimento in un'area più ampia
si può utilizzare un sensore di movimento apposito con risultati maggiormente efficienti dal punto di vista energetico e dei costi
si può usare un microfono in luoghi caldi e bui dove gli altri due tipi di sensori non funzionerebbero
Al di là dei sensori è comune anche la possibilità di interagire con le macchine coinvolte nel sistema di IoT o con gli umani che le fanno funzionare o le utilizzano. A questo scopo si possono includere attuatori e interfacce utenti (IU) nelle soluzioni IoT. Gli attuatori possono modificare i valori che vengono misurati dai sensori, attraverso per esempio l'aumento della temperatura o l'apertura di una finestra.
Le interfacce utente sono pensate per l'interazione umano-macchina e possono essere visive, audio, azionate dalla voce o tattili.
Le IU visive vengono impiegate sopratutto con dispositivi smart con touchscreen (smartphone e tablet) o talvolta con dispositivi appositi dotati di touchscreen o di uno schermo con pulsanti.
Con una interfaccia di riconoscimento vocale l'utente interagisce con il sistema IoT utilizzando il linguaggio naturale. Diversamente in una pura IU audio alcuni suoni possono indicare eventi importanti.
Le interfacce tattili usano di solito una vibrazione per inviare un feedback all'utente.
Una combinazione dei sopra menzionati tipi di IU può migliorare l'esperienza complessiva dell'utente.
IoT e 5G
Il 5G è la quinta e più recente iterazione della rete mobile. La prima generazione (1G) della rete mobile offriva la trasmissione della sola voce. La novità del 2G sono state le reti digitali, che rappresentano una soluzione tecnicamente molto superiore rispetto all'approccio analogico dell'1G. Il 3G ha introdotto il trasferimento dei dati, mentre il 4G ha portato ad un significativo aumento delle velocità di trasmissione. Il 5G ha una capacità di trasferimento dei dati molto più veloce rispetto alle reti precedenti, anche rispetto al 4G. È capace di gestire anche regioni ad alta densità di connessione e di fornire una migliore copertura.
L'elemento fondamentale del 5G è il Massive Multiple Input Multiple Output (MIMO), che comporta un ampio numero di antenne e software di comunicazione complessi che rendono possibile una comunicazione veloce tra un ampio numero di dispositivi. Poiché l'IoT dipende dal trasferimento e dalla ricezioni di dati, l'internet mobile ad alta velocità è un fattore fondamentale che influenza le capacità e la portata di questi dispositivi smart. Nel momento in cui questo testo viene redatto, è opinione generale che non appena il 5G si diffonderà esso rivoluzionerà l'IoT.
IoT e IA
Quanto l'IoT incontra l'IA si usa spesso la sigla AIoT (artificial intelligence/Internet of Things). A detta di molti i benefici dell'IoT possono venir massimizzati grazie all'IA. Per comprendere l'AIoT, è importante comprendere i fondamenti dell'IA. Si è già appreso che tutti i sensori e gli attuatori raccolgono dati che vengono archiviati nel cloud. I dati possono venir analizzati da esperti o da programmi informatici, scritti sulla base delle esperienze e dei suggerimenti degli esperti. Nei casi di dati complessi è possibile che le regole scritte dagli esperti non funzionino perfettamente. Spesso succede anche che queste regole non siano sufficientemente generali e che quindi abbiano bisogno di essere riscritte volta volta, quando per esempio si aggiungono nuovi sensori al sistema o le circostanze ambientali cambiano (per esempio una nuova famiglia si trasferisce in una casa intelligente con un sistema di IoT). L'IA fa in modo che con un'ampia quantità di dati rilevanti le regole possano venir apprese a partire dai dati stessi, il che significa che l'IA è anche capace di adattarsi automaticamente ai cambiamenti.
Nel'IoT l'integratore e colui che prende le decisioni è sempre l'essere umano, il che rende il processo personalizzato e su misura. Con l'IA i dispositivi impiegano i dati per imparare e sono loro a prendere decisioni sulla base del precedente comportamento dell'utente. Quanti più dati sono stati raccolti, tanto migliori saranno le decisioni basate sull'IA. Per esempio nel caso del riconoscimento dei sessi all'IA sono state sottoposte foto di donne e uomini. Dopo avere visto molte foto, l'IA può decidere autonomamente con sempre maggiore precisione se un'immagine è quella di una donna o di un uomo.
Grazie all' AIoT l'ampio numero di dati raccolti dai sensori in combinazione con i metodi dell'IA permette ad un sistema di imparare sia dal comportamento dell'utente che dall'ambiente e di fornire un servizio migliore. La maggior parte delle soluzioni AIoT operano sul cloud o attraverso il gateway e un nuovo approccio porta l'IA ai dispositivi periferici (edge device). Questo approccio è noto con il nome di TinyML. In questo caso i dispositivi IoT possono conservare i loro dati localmente, non hanno bisogno di connettersi ad internet ed i tempi di risposta possono essere molto più veloci. D'altro canto gli algoritmi di TinyML devono affrontare diverse restrizioni, come ad esempio un basso consumo di energia (così basso da permettere ad un dispositivo di funzionare per un anno con una piccola batteria CR2032) ed una potenza di elaborazione limitata.
Per una spiegazione dettagliata dei meccanismi e delle possibilità dell'IA si può far riferimento al corso 'Elements of AI'.
L'IoT nelle nostre vite quotidiane
Abbiamo già sensori tutto intorno a noi, alcuni dei quali sono connessi ad una rete, mentre altri sono semplicemente connessi ad una macchina locale. Gli smartwatch misurano il ritmo cardiaco, le attività quotidiane ed il tempo del sonno e caricano questi dati su internet. Le posizioni attuali degli autobus e dei tram vengono raccolte sulla base dei dati GPS e mostrate su una mappa mentre i tempi d'attesa vengono visualizzati alle fermate. Le macchine smart hanno sensori di fabbrica che raccolgono dati sul consumo e li condividono con il proprietario o con l'officina meccanica. Con il diffondersi dell'IoT sempre più sensori verranno dotati della facoltà di connettersi ad un sistema IoT. Approfondiremo questo tema nella sezione successiva e forniremo una visione più dettagliata delle possibili applicazioni e dei settori coinvolti.
