Smart Buildings: dal campo al modello, andata e ritorno

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Seminario organizzato dal Polo di Innovazione ICT http://www.poloinnovazioneict.org/ sul tema degli Smart Buildings.

Durante il seminario si analizzano i molteplici livelli logico-architetturali presenti in un edificio intelligente, inquadrando criticamente le relative tecnologie, e ragionando sulle problematiche di integrazione di sistema. Il tema sta acquisendo sempre maggior interesse per i benefici in campo energetico, della sicurezza, dell’abitabilità, del confort e dei servizi agli abitanti.
Dal punto di vista delle tecnologie ICT coinvolte, questo campo è in aperto fermento. Molte soluzioni si affacciano al mercato, ma purtroppo è spesso assente l’attenzione alla progettazione di sistema, all’espandibilità, all’integrazione.

Argomenti trattati:
- Smart Home, Smart Building, Smart Factory: una visione unitaria
- Architetture e funzionalità dei sistemi di controllo per smart building
- Integrazione, integrazione, integrazione
- Cenni alle principali tecnologie esistenti sul mercato: caratteristiche e campi di applicazione
- Arrivare ai sensori ed attuatori: controllo, monitoraggio, automazione, interoperabilità
- Elaborare e comprendere i dati: aggregazione, filtraggio, elaborazione, ricerca, analisi
- Interfacce utente: monitoraggio, controllo, alerting
- Analisi di un dominio applicativo: monitoraggio consumi energetici

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Smart Buildings: dal campo al modello, andata e ritorno

  1. 1. Politecnico di TorinoDipartimento di Automatica e Informatica e-Lite Research Group http://elite.polito.it Seminario organizzato da Smart Buildings Dal campo al modello, andata e ritorno Fulvio Corno – fulvio.corno@polito.it
  2. 2. Sommario Conclusioni Happy hour 2 e-lite - Smart Buildings 20/04/2012
  3. 3. Conclusioni Smart Homes, Buildings, Factories La tecnologia è disponibile  Sensori, attuatori, infrastrutture di comunicazione  Domotica  Bus di campo 3 e-lite - Smart Buildings 20/04/2012
  4. 4. Pot-pourri di dispositivi4 e-lite - Smart Buildings 20/04/2012
  5. 5. Conclusioni Smart Homes, Buildings, Factories La tecnologia è disponibile  Sensori, attuatori, infrastrutture di comunicazione  Domotica  Bus di campo Le applicazioni sono definite  Monitoraggio energetico  Sorveglianza, sicurezza  Tele-controllo 5 e-lite - Smart Buildings 20/04/2012
  6. 6. Pot-pourri di applicazioni6 e-lite - Smart Buildings 20/04/2012
  7. 7. ConclusioniTecnologie Applicazionidisponibili definite Problema risolto … o no?7 e-lite - Smart Buildings 20/04/2012
  8. 8. Sommario (quello vero) Definizione del problema Architettura proposta Esempi applicativi Q&A 8 e-lite - Smart Buildings 20/04/2012
  9. 9. Punti di partenza Applicazione • Sensori ambientali (temperatura, umidità, CO2, inquinanti, illuminazione, vento, …) • Sensori utente (presenza, movimento, accessi, …) • Misuratori energetici (energia e potenza elettriche, consumi gas e acqua, …) • Attuatori (relais, elettrovalvole, motorizzazioni, segnalatori, …) • Sistemi di automazione • Tipologie di interconnessione D D D D Dispositivi9 e-lite - Smart Buildings 20/04/2012
  10. 10. Punti di partenza • Cruscotti (osservazione, monitoraggio, …) Applicazione • Dati storici (memorizzazione, consolidamento, consultazione, …) • Allarmi (anomalie, superamento soglie, …) • Controllo remoto (comando attuatori, dis/attivazione azioni, modifica set-point, …) • Tendenze (analisi su dati storici, analisi su dati in tempo reale) • Elaborazioni in tempo reale (calcolo grandezze derivate, sensori virtuali, …) • Intelligenza ambientale (comfort, risparmio energetico, applicazione scenari, adattamento dinamico, …) D D D D • Integrazione con sistemi informativi Dispositivi10 e-lite - Smart Buildings 20/04/2012
  11. 11. Chiudere il cerchio Applicazione • Tecnologie dei sensori • Protocolli di comunicazione • Scala (locale, geografica) • Numero di dispositivi • Frequenze di campionamento Infrastruttura • Sicurezza / autenticazione • Tipologia dei dati • Unidirezionale o bidirezionale • Codifica dei dati • Polling / Pushing D D D D Dispositivi11 e-lite - Smart Buildings 20/04/2012
  12. 12. Fai presto a dire «dispositivi» Field bus Wireless Powerline Computer-derived RS-48512 e-lite - Smart Buildings 20/04/2012
  13. 13. Fai presto a dire «dispositivi» Field bus Wireless Nota 1: questo è solo un piccolo assaggio dei protocolli attualmente in uso Nota 2: senza contare tutte le soluzioni Powerline più o meno «custom» Computer-derived RS-485 Nota 3:   13 e-lite - Smart Buildings 20/04/2012
  14. 14. Nel frattempo, nel mondo reale, … Diversi fornitori  Diverse tecnologie nello Diversi sotto sistemi stesso sistema Diversi tempi di  Non progettate per inter- installazione operare (anzi…) Legacy Diversi requisiti ed D D D D esigenze D D D D D D D D 14 e-lite - Smart Buildings 20/04/2012
  15. 15. Nel frattempo, nel mondo reale, … Crescita delle esigenze  Diverse applicazioni nello Crescita delle stesso sistema fisico opportunità  Condividere sensori, dati Sviluppo di nuovi tipi di ed attuazioni interfacce Nuovi campi applicativi Integrazione di scala Applicazione Applicazione Applicazione Applicazione Applicazione 15 e-lite - Smart Buildings 20/04/2012
  16. 16. Errori da evitare Il caso «ho un gateway troppoApplicazione «all you can eat» intelligente» Applicazione Applicazione Infrastruttura Infrastruttura D D D D D D D D D Dispositivi Dispositivi16 e-lite - Smart Buildings 20/04/2012
  17. 17. E allora? Applicazione Applicazione Applicazione Applicazione D D D D D D D D D D D D17 e-lite - Smart Buildings 20/04/2012
  18. 18. Una lingua franca Applicazione Applicazione Applicazione Applicazione Rappresentazione neutrale D D D D D D D D D D D D18 e-lite - Smart Buildings 20/04/2012
  19. 19. Architetture orizzontali e aperte Applicazione Applicazione Applicazione Applicazione Elaborazione real time Regole e scenari Servizio applicativo API Funzionalità di base Scambio dati Rappresentazione neutrale Driver di interfacciamento ai protocolli D D D D D D D D D D D D19 e-lite - Smart Buildings 20/04/2012
  20. 20. Applicazioni consumanodati e servizi Applicazione Applicazione Applicazione Applicazione Elaborazione real time Regole e scenari Servizio applicativo API Funzionalità di base Scambio dati Rappresentazione neutrale Driver di interfacciamento ai protocolli D D D D D D D D D D D D20 e-lite - Smart Buildings 20/04/2012
  21. 21. Applicazioni controllano Applicazione Applicazione Applicazione Applicazione Elaborazione real time Regole e scenari Servizio applicativo API Funzionalità di base Scambio dati Rappresentazione neutrale Driver di interfacciamento ai protocolli D D D D D D D D D D D D21 e-lite - Smart Buildings 20/04/2012
  22. 22. Un modello astratto Applicazione Applicazione • Astratto rispetto alla tecnologiaApplicazione Applicazione • Espandibile • Tecnologie Elaborazione real time Regole eDispositivi • scenari Servizio • Domini applicativi applicativo Linguaggi e rappresentazioni standard (W3C •API Semantic Web): RDF & OWL • Esempio: Ontologia DogOnt Funzionalità di base Scambio dati Rappresentazione neutrale Driver di interfacciamento ai protocolli D D D D D D D D D D D D22 e-lite - Smart Buildings 20/04/2012
  23. 23. http://elite.polito.it/dogont-tools-80DogOnt DogOnt - Ontology Modeling for Intelligent Domotic Environments, D. Bonino, F. Corno 7th International Semantic Web Conference, 2008, Springer-Verlag, pp. 790-803 Building Thing IsIn / contains Building Environment Controllable House Building Apartment Plant Electric System Lamp hasState Room OnOff hasFunctionality State Control Functionality Discrete OnOff State Functionality State Functionality23 e-lite - Smart Buildings 20/04/2012
  24. 24. Semantic Modeling (DogOnt) RDF OWL XML XSD24 e-lite - Smart Buildings 20/04/2012
  25. 25. Home / Building Gateway Applicazione Applicazione Applicazione Applicazione • Configurazione di sistema • Invio comandi • Monitoraggio stati Elaborazione real time Regole e scenari• Acquisizione dati sensori Servizio • Funzionamento asincrono (ad applicativo API eventi) • Indipendente dall’applicazione Funzionalità di base • Interfacce basate su standard Scambio dati (http, XML, JSON, …) Rappresentazione neutrale Driver di interfacciamento ai protocolli • Architettura aperta ed espandibile D D D D D D D D D D D DEsempio: Dog 2.x • Tempi di sviluppo accettabili • Indipendenti dall’applicazione 25 e-lite - Smart Buildings 20/04/2012
  26. 26. Dog 2.x http://domoticdog.sourceforge.net Gateway Intelligente: Dog 2.x Open Source (Apache 2.0) Modulare (su framework OSGi) Multi-protocollo Basato su elaborazione semantica e DogOnt Adatto per hardware PC embedded 26 e-lite - Smart Buildings 20/04/2012
  27. 27. Elaborazione vicina al campo • Sistemi multi-punto e Applicazione Applicazione Applicazione geografici Applicazione • Pubblicazione dati • Integrazione dati esterni Elaborazione real time Regole e scenari • Linked Data Servizio applicativo API Funzionalità di base Scambio dati• Decimazione ed Aggregazione dati • Nel tempo Rappresentazione neutrale • Nello spazio• Calcolo di quantità Driver di su dati recenti ai protocolli derivate, interfacciamento• Sensori virtuali• Allarmi e notifiche in tempo reale• Stream processing ad alte prestazioni• Specifica funzionale ad alto livello D D D D D D D D D D D D• Esempio: spChains27 e-lite - Smart Buildings 20/04/2012
  28. 28. http://elite.polito.it/spchains Stream Processing spChains spChains Stream Pattern Match / Alerts Processing Block Data-centric Event Sources Application Event Drains Field Stream Aggregate / Computed (e.g., E.R.P.) Data Streams Processing Measures ChainsField-level sensors / data sources Chain Definition Industrial Stream processing engine Stakeholders (e.g., Management) 28 e-lite - Smart Buildings 20/04/2012
  29. 29. Alcuni esempi di spChains Ogni spChain è definita in XML Libreria di spBlock parametrici (13++) Creazione automatica di query sul motore Esper (o altri) Open Source 29 e-lite - Smart Buildings 20/04/2012
  30. 30. Esempi di applicazioni reali JEERP SMILE-O Speak2Home Politecnico Elaborazione real time Regole e scenari Servizio applicativo API• Monitoraggio energetico• L’energia come Funzionalità di base Scambio dati asset• Integrazione Rappresentazione neutrale con ERP• DogOnt + Driver di interfacciamento ai protocolli Dog + spChains D D D D D D D D D D D D 30 e-lite - Smart Buildings 20/04/2012
  31. 31. Jeerp (Proxima Centauri)31 e-lite - Smart Buildings 20/04/2012
  32. 32. 32 e-lite - Smart Buildings 20/04/2012
  33. 33. Dettaglio architettura Jeerp Oratio (ERP) Administrative staff Time scale CMDBuild (Asset ~ 1h manager) # Assets ~ 100 Energy Manager Aggregate Measures Alerts by asset / asset group Collector Stream Stream processing Time scale processing ~ 1s # Sensors ~ 1000 Dog Events Dog2.1 historic Field Data data33 e-lite - Smart Buildings 20/04/2012
  34. 34. Esempi di applicazioni reali JEERP SMILE-O Speak2Home Politecnico Elaborazione real time Regole e scenari Servizio applicativo API • Sistema Produttore Funzionalità di base (eolico) + Scambio dati Consumatore Rappresentazione neutrale (stabilimento) • Scambio dati Driver di interfacciamento ai protocolli sottosistemi • DogOnt + LinkedData D D D D D D D D D D D D34 e-lite - Smart Buildings 20/04/2012
  35. 35. Progetto SMILE-O35 e-lite - Smart Buildings 20/04/2012
  36. 36. Esempi di applicazioni reali JEERP SMILE-O Speak2Home Politecnico Elaborazione real time Regole e scenari Servizio • Controllo applicativo • Monitoraggio API avanzato energetico • Input in • Detective Funzionalità di base linguaggio Scambio dati analysis naturale • Integrazione (parlato, Rappresentazione neutrale con sistemi scritto) esistenti • Elaborazione Driver di interfacciamento ai protocolli • Definizione linguistica e architettura a invio comandi livello di • DogOnt + building D D D D D D D D Dog D D D D36 e-lite - Smart Buildings 20/04/2012
  37. 37. CreditsIdee, progettazione, sviluppi Progetti & Sponsor Dario Bonino, Ph.D.  CE FP6 ICT COGAIN Emiliano Castellina, Ph.D.  Polo ICT (STORIES, Luigi De Russis SMILE-O) Faisal Razzak  Proxima Centauri  Eudata  ISMB  Progetto Lagrange 37 e-lite - Smart Buildings 20/04/2012
  38. 38. Grazie! Domande? Commenti?38 e-lite - Smart Buildings 20/04/2012
  39. 39. For further information Research group  http://elite.polito.it Dog2 gateway  http://domoticdog.sourceforge.net Publications  http://elite.polito.it/publications-mainmenu-81 Contact  fulvio.corno@polito.it  +39 011 090 7053 39 e-lite - Smart Buildings 20/04/2012
  40. 40. Licenza d’uso Questa presentazione è rilasciate con la licenza Creative Commons “Attribuzione-Non commerciale-Condividi allo stesso modo 2.5 Italia” Siete liberi di riprodurre e modificare quest’opera, per scopi non commerciali, e citando la fonte. Eventuali versioni modificate dovranno essere rilasciate con la stessa licenza Testo completo della licenza:  http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/2.5/it/ 40 e-lite - Smart Buildings 20/04/2012

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