SISTEMA INNOVATIVO PER LA SICUREZZA RESIDENZIALE

L’idea del progetto per un sistema innovativo per la sicurezza residenziale , finanziato dalla regione Puglia e realizzato in partnership con Matrix spa e il Politecnico di Bari, è nata dalla sempre maggiore richiesta di sicurezza, da parte degli utenti, a tutela delle proprie cose e dei loro cari.

La maturata trentennale esperienza che alcune risorse umane della Cupersafety hanno acquisito in materia di sicurezza, ha permesso di valutare anche i diversi aspetti peculiari dei sistemi attuali presenti sul mercato, che con questo progetto sono stati superati. I miglioramenti hanno l’obiettivo di rendere il prodotto molto interessante sia per l’installatore che per l’utente finale.

Il settore della sicurezza viene identificato in due macro categorie: sicurezza attiva e sicurezza passiva. Si raggruppa sotto il termine di sicurezza passiva, tutto quanto sia in grado di creare ostacolo meccanico all’effrazione (casseforti, mezzi forti, porte blindate, tapparelle di ferro ecc.) si raggruppa invece sotto il termine di sicurezza attiva, tutti i sistemi elettrici ed elettronici in grado di supervisionare e segnalare, un stato effrattivo (sistemi elettronici antintrusione, di video sorveglianza, di controllo degli accessi, antitaccheggio, ecc..).

Il sistema di sicurezza realizzato dalla Cupersafety, si posiziona nella categoria dei sistemi attivi.

Il presente progetto è stato realizzato attraverso obiettivi realizzativi (OR) nei quali sono state sviluppate tutte le fasi di ricerca, analisi, progettazione e sviluppo del sistema.

I suddetti OR sono stati:

OR1 – Analisi dello stato dell’arte e individuazione delle funzionalità basilari dei sistemi di sicurezza

OR2 – Sviluppo dei sensori di presenza

OR3 – Sviluppo del dispositivo per il monitoraggio di anziani disabili

OR4 – Sviluppo della centrale antifurto

OR5 – Integrazione e sperimentazione del sistema prototipale

OR6 – Divulgazione dei risultati

sistema innovativo per la sicurezza residenziale

OR1 – Analisi dello stato dell’arte e individuazione delle funzionalità basilari dei sistemi di sicurezza

L’obbiettivo principale di questa fase di progetto è definire le principali caratteristiche di un Innovativo Sistema di Sicurezza Residenziale (ISSR); partendo dall’analisi dello stato dell’arte e dallo studio dei limiti e criticità presenti nei sistemi di sicurezza si giungerà alla definizione dei requisiti funzionali e non funzionali e all’architettura del sistema di sicurezza innovativo ISSR.

Nello specifico nell’attività A1.1 di questo OR1 si è condotta l’analisi dei bisogni dei cittadini in termini di sicurezza residenziale e si sono studiate le risposte che attualmente il mercato offre per soddisfare queste esigenze. Particolare attenzione si è posto al confronto fra due tecnologie impiegate, quella filare e quella wireless, per rapportare i loro vantaggi e svantaggi nell’ambito sicurezza e le norme che ne regolano l’utilizzo.

Nell’attività A1.2, si è analizzato l’aspetto funzionale che caratterizza i sistemi di sicurezza tradizionali evidenziando i limiti e criticità. Nella seconda fase si sono stabiliti i requisiti funzionali e non-funzionali che il sistema di sicurezza ISSR deve possedere affinché possa offrire servizi nuovi, integrati con quelli della domotica e possa possedere capacità di espansione e usabilità più evolute. Questo è direttamente legato alla oramai consolidata tendenza dell’impiego delle reti wireless su cui far convergere una vasta gamma di servizi.

L’attività si è conclusa con la definizione dell’architettura del sistema e dei moduli funzionali che lo compongono. L’attività coordinata dal beneficiario CuperSafety, è stata condotta in collaborazione con Microlaben, consulente di sistemi wireless e il partner Matrix azienda di elettronica che progetta e produce schede per i settori industriali e civili.

A 1.1 Analisi dello stato dell’arte

Nella prima fase si sono ricercati i bisogni e i motivi per cui investire in questo settore, dove le percentuali di utenti sono in continuo aumento e soprattutto quelli che scelgono sistemi basati su nuove tecnologie wireless in grado di fornire flessibilità e maggiore integrabilità nell’ambiente abitativo.

Nello studio dello stato dell’arte, che ha coinvolto diversi ricercatori, si sono esaminati i sistemi di sicurezza cablati e quelli wireless. La filosofia di fondo dello studio è stata quella di confrontare e la comparare vantaggi e svantaggi tra le due tecnologie nell’ambito sicurezza.

I sistemi di sicurezza cablati non assicurano una soluzione installativa semplice, per tipi di impianti di ogni dimensione sia in ambiente civile che commerciale e industriale; tuttavia per alcuni tipologie di informazioni che necessitano elevata capacità di banda, come per esempio il flusso video, i sistemi di sicurezza cablati presentano forti vantaggi rispetto a quella wireless.

Per tali motivi si è focalizzata l’attenzione sullo studio delle tecnologie wireless disponibili e in particolare sono stati esaminati protocolli di rete wireless in grado di osservare i vincoli di emissioni elettromagnetiche e allo stesso tempo garantire comunicazioni robuste e ridondanti. Come target di ricerca sono stati scelti i protocolli aperti non proprietari e soprattutto quelli che utilizzano bande di frequenza libere che non necessitano di alcuna concessione da parte del ministero delle telecomunicazioni. Individuata la gamma di protocolli di rete idonei è stata effettuata un’analisi approfondita, durante la quale sono stati valutati accuratamente i parametri prestazionali, quali: il raggio di copertura indoor e outdoor, banda occupata e bit rate. Sono stati analizzati aspetti che incidono nella fase di sviluppo del firmware per i moduli radio, valutando l’ambienti di sviluppo fornito dalle case costruttrici dei chip radio, il sistema operativo e i kit di sviluppo presenti. In parallelo sono state anche approfondite e analizzate le implicazioni delle tecnologie wireless nell’ambito della conformità agli standard richiesti dalle organizzazioni internazionali di certificazione per garantire affidabilità e facilità di utilizzo dei sistemi di sicurezza domestica. In ultimo si sono stati individuati e riportati i prodotti concorrenti che presenatono funzionalità di comfort, securety e safety, non sempre integrate fra loro.

A 1.2 Individuazione dei requisiti progettuali

Nell’attività A 1.2 sono stati individuati i requisiti del sistema ISRR. Nella prima fase sono state descritte le funzionalità dei sistemi di sicurezza filari e wireless tradizionali, riportando i limiti e le criticità a cui sono soggetti. Partendo da questa analisi si sono elaborati i requisiti funzionali e non funzionali, che l’intero sistema di sicurezza ISSR dovrà soddisfare per essere innovativo, efficace dal punto di vista degli utenti finali e di facile installazione. A questo è seguita la definizione dell’architettura del sistema di sicurezza innovativo, ossia la struttura hardware e software di dispositivi che interagiscono fra loro affinché siano meglio soddisfatti i criteri di interoperabilità e espansibilità.

Successivamente sono stati precisati il numero di sensori da collegare, i parametri da considerare, la frequenza con la quale rilevare i dati, le specifiche della componentistica da utilizzare per lo sviluppo, la tipologia di alimentazione e la relativa durata, l’identificazione delle interfacce e le modalità di comunicazione con il mondo esterno.

Pietra miliare del sistema è la centrale antifurto, alla quale sono conferite connotazioni funzionali inconsuete rispetto a quelle attualmente in commercio; a titolo esemplificativo, ma non esaustivo, la capacità di interagire con un braccialetto di monitoraggio di un paziente, l’interazione con un sistema domotico e possibilità di facile espansione del sistema.

Questa fase è stata caratterizzata anche da uno studio accurato delle tecnologie disponibili per ciò che concerne le modalità easy di interfacciamento uomo–macchina. Negli ultimi anni con l’avvento dell’era digitale si è sempre più rafforzata un interazione che predilige la sfera del visibile tramite l’uso di interfacce video e touch-screen.

Infine, sono state approfondite anche le conoscenze sulle tecnologie elettroniche necessarie per la misurazione dei parametri fisiologici del paziente, in funzioni dei servizi di safety da soddisfare.

  OR2 – Sviluppo dei sensori di presenza

Nell’ambito dell’OR1 sono stati ottenuti importanti risultati che costituiscono linea guida per lo sviluppo dell’ Innovativo Sistema di Sicurezza Residenziale (ISSR); in particolare sono stati fissati i criteri di progetto e indicati gli elementi necessari per lo sviluppo del programma.

Il rilevatore o sensore di presenza è sicuramente uno tra gli elementi rilevanti di un sistema di sicurezza. Partendo da un’analisi dello stato dell’arte delle varie tipologie dei sensori di presenza (in particolare infrarosso e microonde, attualmente i più diffusi), facendo riferimento al brevetto PCT/IT05/000562,  base di partenza su cui appoggiare le originalità dell’ISSR, l’obiettivo dell’OR2 è stato quello di arrivare alla prototipazione di un dispositivo non convenzionale, capace di aumentare la flessibilità e l’adattabilità dei sensori attualmente in commercio, e di conferire al sistema un aspetto realmente innovativo.

La prima fase di indagine sull’evoluzione delle tecnologie correntemente utilizzate nell’ambito dei rilevatori di presenza ha mostrato che non vi è una tecnologia migliore in termini assoluti, ma a seconda delle esigenze è preferibile utilizzare l’una o l’altra tecnica. Inoltre si è osservato che le caratteristiche tecniche dei rilevatori di presenza al momento sul mercato sono standardizzate (a titolo esemplificativo, tipicamente l’alimentazione è di 12 VDC). Tali considerazioni unite all’esigenza di avere un sistema il più possibile flessibile, integrabile ed espandibile conducono ad uno specifico modulo capace di interfacciarsi con la quasi totalità dei sensori di presenza e che sia in grado di trasferire i segnali di rilevamento di presenza/assenza attraverso trasmissioni wireless.

Il modulo sviluppato conferirà all’innovativo sistema di sicurezza le seguenti caratteristiche:

–      Elevata flessibilità ed adattabilità: consente di scegliere qualsiasi sensore più idoneo alle esigenze dell’utente finale, ad esempio in certe condizioni potrebbe risultare più opportuno l’uso di un sensore a microonde, piuttosto che un sensore ad infrarosso o entrambi, in altre ultrasuoni, contatti magnetici, tappetini a pressione, ecc., si può spaziare tra quelli più semplici ed economici fino a quelli più complicati e costosi;

–      Integrazione del sistema di sicurezza con un sistema di domotica per il comando, il controllo e la gestione per gli elementi domestici: il dispositivo fornirà al generico sensore una duplice funzione, la rilevazione della presenza o assenza di individui, oltre a essere inteso in ottica di sicurezza, può essere correlata anche all’accensione o spegnimento delle luci, all’apertura automatica delle porte, all’apertura di finestre o serrande per ottimizzare la luce e la temperatura, affiancando al security anche il safety e il comfort;

–      Grazie alla tecnologia wireless in ogni istante il sistema di allarme realizzato può essere rimodellato o esteso aggiungendo o cambiando la posizione dei vari sensori con il modulo integrato (in qualsiasi momento risulterà immediato ampliare la “zona sicura” e la “zona domotica” ad esempio da due a quattro o più vani fino al giardino..);

–      Elevata semplicità di istallazione: in un qualsiasi punto di un generico edificio, in maniera semplice, senza compiere importanti lavori strutturali, risulta possibile inserire un qualsiasi sensore; in particolare la progettazione della scheda finale è stata svolta con l’obiettivo di ridurre al massimo le dimensioni circuitali e permettere di alloggiare il modulo, attraverso una meccanica opportuna, anche negli spazi esistenti dedicati ai frutti luce.

In relazione al brevetto PCT/IT05/000562 il “modulo radio integrato” consente inoltre di implementare proprio l’integrazione di cui si parla nel brevetto, per quanto riguarda l’aspetto sicurezza e la gestione dei “carichi” (load) domestici. Da una parte è fondamentale appoggiare ogni funzionalità del sistema di sicurezza all’architettura originale ed inventiva del brevetto, dall’altra uno sviluppo di un dispositivo nuovo quale il “modulo radio integrato” rappresenta uno degli elementi che permetterà di rafforzare la strategia di intellectual property della Cupersafety alla fine del progetto.

Le attività svolte sono state coordinate dal beneficiario CuperSafety e condotte in collaborazione con Matrix partner del progetto.

Le attività nell’ambito dell’OR2 sono state eseguite con il fine di analizzare uno degli elementi più critici di un sistema di sicurezza, il sensore di presenza, e giungere ad una nuova soluzione in linea con i criteri progettuali evidenziati nell’OR1.

È stata eseguita una disamina dei sensori attualmente in commercio, studiate le varie tipologie, approfondite e valutate le loro caratteristiche principali.

Sono stati individuati i sensori tipici presenti sul mercato e specificate le loro caratteristiche tecniche. In particolare sono stati presi in esame i sensori ad infrarosso attivi/passivi e i sensori a microonde.

Lo studio effettuato ha condotto a considerazioni e osservazioni sulle quali si è basata l’analisi progettuale e, successivamente, la progettazione e lo sviluppo del dispositivo, il modulo radio integrato, capace di interfacciarsi con molteplici tipologie di sensori, rilevare e comunicare via radio la presenza dell’intruso alla centrale. Le attività relative all’OR2 si sono concluse con la realizzazione di un prototipo funzionante.

A 1.1 Caratterizzazione delle tecnologie IR e MW

Nello studio dello stato dell’arte, i ricercatori coinvolti hanno focalizzato la loro attenzione sui sensori di presenza a tecnologia IR e MW che sono i più diffusi e versatili per diverse soluzioni strutturali.

Si sono esaminate le tecniche con cui ogni tipo di sensore rileva la presenza di un corpo nel suo raggio d’azione, che può essere lineare o volumetrico. Un approfondimento rilevante è stato dedicato alla parte di interfaccia dei sensori, descrivendo le caratteristiche tecniche, quali corrente e tensione di alimentazione e modalità di segnalazione d’allarme. Per ogni sensore infatti, si sono riportati degli esempi presenti nel mercato e presentate le soluzioni di d’interfacciamento adottato dai diversi marchi. Per completezza sono state descritte anche altre tecnologie diverse da IR e MW per avere un quadro completo della sensoristica per rilevazione di presenza.

A 1.2 Analisi e progettazione dei sensori con modulo radio integrato

 

Dall’analisi dei risultati della precedente attività, in relazione ai criteri progettuali caratteristici indicati nell’OR1 e facendo riferimento al brevetto internazionale PCT/IT05/000562, guida per le peculiarità del sistema, si è giunti ad un modulo elettronico non convenzionale, il modulo radio integrato, che dovrà essere in grado di interfacciarsi con la quasi totalità delle varie

tipologie dei sensori, di ricevere la segnalazione dal rilevatore di presenza (che potrebbe essere quindi IR, MW, ma anche ultrasuoni ed altri) e trasferire il messaggio alla centrale via radio.

La progettazione del modulo è stato caratterizzato da una prima fase in cui sono state effettuate scelte progettuali partendo da osservazioni tecniche. Tipicamente un generico sensore viene alimentato con una tensione di 12 VDC e assorbe una corrente non superiore a 100 mA: il modulo dovrà quindi garantire tali caratteristiche in uscita. Inoltre poiché il dispositivo è costituito anche da una parte radio per comunicare con la centrale (alimentazione tipica 3 VDC), il circuito di alimentazione dovrà fornire anche un’uscita 3 VDC.

Per quanto riguarda l’interfaccia con il sensore, è previsto sul dispositivo un ingresso dove collegare le linee di segnale d’allarme normalmente chiuso, generalmente utilizzato su tutte le tipologie di sensori di presenza.

 

Definite le caratteristiche tecniche del modulo, lo step successivo è stato quello di progettazione dell’hardware. Il circuito è stato suddiviso in due parti, la scheda di alimentazione e la scheda radio, per ognuna è stato sviluppato prima lo schematico e poi il layout circuitale. Queste attività vengono dettagliate nel mod. 14 allegato, chiaramente non sono state presentate tutte le soluzioni trovate, ma quelle ritenute più indicative. In particolare nelle revisioni successive del progetto si è proceduto con l’obiettivo di ridurre al massimo le dimensioni del modulo e integrarlo in una meccanica ad hoc che consente al dispositivo di inserirsi in un classico frutto luce, rendendo il sistema ancora più interessante.

In questa fase è stato eseguito anche un progetto firmware per consentire un controllo e un’analisi costante delle linee di allarme del sensore e trasmettere via radio il messaggio di allarme attraverso l’utilizzo del protocollo ZigBee. Il firmware ha anche il compito di effettuare ciclicamente controlli di diagnostica del sensore e comunicare via radio alla centrale antifurto il proprio stato.

 

 

A 2.3 Prototipazione del dispositivo

 

Progettate e testate entrambe, le schede d’alimentazione e la scheda radio, è stato assemblato il dispositivo nel suo complesso e valutate le funzionalità. La caratterizzazione del sistema è stata effettuata considerando il dispositivo totalmente integrato nell’ambiente domestico all’interno di un portafrutto collegato ad un sensore da incasso.

Attraverso una mini rete ZigBee ed un firmware creato ad hoc, è stato verificato, con esito positivo, che il modulo rileva la presenza/assenza e trasmette il segnale via radio.

 

OR3 – Sviluppo del dispositivo per il monitoraggio di anziani disabili

Le attività svolte nell’ambito dell’OR1 hanno condotto alla definizione delle principali caratteristiche che dovrà avere l’Innovativo Sistema di Sicurezza Residenziale (ISSR) oggetto del progetto per poi delineare gli elementi che lo dovranno costituire. In particolare per consentire al sistema di avere una nuova funzionalità rispetto a quelli attuali, qual è quella del monitoraggio dei disabili o anziani, è stato proposto di sviluppare un dispositivo non invasivo, tipo un braccialetto elettronico, capace di rilevare i parametri fisiologici del soggetto e segnalare ilo presentarsi di condizioni di pericolo, a titolo esemplificativo, caduta, temperatura corporea alta, ecc..

Il lavoro effettuato in questa parte del progetto (OR3) verte quindi sullo studio della realizzabilità di un generico dispositivo da polso destinato al monitoraggio di persone anziane in ambito domestico capace di verificare un evento di caduta e, nel contempo, monitorare alcuni parametri vitali in modo da avere un quadro generale sullo stato di salute di chi lo indossa; il dispositivo deve essere inoltre capace connettendosi ad una rete domotica di comunicare con l’esterno (per esempio inviare un SMS oppure una e-mail verso uno o più parenti della persona da monitorare tramite una centrale con connessone GSM e con collegamento IP su rete internet). Lo sviluppo del braccialetto comunque non dovrà discostarsi dalle linee guida generali del progetto, in particolare tutti gli elementi del sistema ISSR dovranno essere caratterizzati da  facilità d’uso, d’integrazione e basso costo.

 

Per giungere ad un elemento realmente utile ed interessante per l’utente finale, risulta necessario passare attraverso un’analisi dei principali parametri vitali per l’essere umano. Bisognerà effettuare uno studio attento per stabilire quali di questi parametri siano fondamentali per poter determinare lo stato di salute di una persona e inoltre se sia tecnicamente possibile monitorarli dal polso rispettando le specifiche progettuali.

Una volta definiti i parametri bisognerà quindi individuare la migliore soluzione progettuale per la loro implementazione circuitale, determinando in primo luogo i sensori ottimi da utilizzare per la lettura di tali parametri, successivamente presentare la soluzione circuitale più opportuna ed infine valutarne le prestazioni.

Le attività svolte sono state coordinate dal beneficiario CuperSafety e condotte in collaborazione con Matrix partner del progetto.

L’elemento trattato nel presente OR è sicuramente quello più delicato dell’intero Innovativo Sistema di Sicurezza Residenziale (ISSR), principalmente poiché dovrà essere a diretto contatto con l’utente finale, per cui necessariamente bisognerà fare particolare attenzione alla sua invasività e semplicità d’applicazione.

Nelle prime attività dell’OR3 sono state eseguite analisi e studi sui parametri più importanti che caratterizzano lo stato di salute di un soggetto; la disamina è stata eseguita facendo attenzione anche alle possibilità di sviluppo del dispositivo in modo da essere in linea con i criteri progettuali. Questa prima fase ha condotto quindi ad un sistema iniziale che è stato oggetto successivamente della progettazione. Sono state quindi sviluppate delle schede di test per verificare la fattibilità e le performance delle soluzioni circuitali adottate. Le attività conclusive del presente OR sono state caratterizzate dallo sviluppo del miglior risultato ottenuto in termini di funzionalità, costo e prestazioni.

 

Le attività principali dell’OR3 sono quindi:

–      Definizione dei parametri per il monitoraggio di anziani e disabili

–      Progettazione e sviluppo del dispositivo

 

 

A 1.1 Definizione dei parametri per il monitoraggio di anziani e disabili

 

Da un punto di vista medico, lo stato di salute di una persona può essere valutato tramite il monitoraggio di alcune informazioni vitali relative al soggetto: ovviamente, la qualità dell’analisi che si può effettuare dipende dalla precisione con cui questi dati vengono prelevati ed analizzati, nonché dalla natura del parametro stesso.

Le principali funzioni vitali che generalmente vengono rilevate per il monitoraggio dello stato di salute nell’uomo sono le seguenti:

  • pressione arteriosa sistemica (sistolica e diastolica);

  • frequenza cardiaca;

  • frequenza respiratoria;

  • temperatura corporea;

  • saturazione di ossigeno nel sangue;

  • stato di coscienza.

Tali parametri sono stati studiati e valutate le possibili soluzioni circuitali utili alla loro rilevazione. L’analisi svolta, è stata effettuata tenendo presente i criteri progettuali dell’Innovativo Sistema di Sicurezza Residenziale (ISSR), quindi in parallelo allo studio dei parametri fisiologici si è cercato di capire anche quale sensoristica utilizzare, quali soluzioni adoperare, se attualmente esistono, per consentire la rilevazione dei dati vitali di una persona in maniera facile, non invasiva, facilmente integrabile in un braccialetto da polso e infine, ma non ultimo, che abbia costi contenuti.

 

 

A 1.2 Progettazione e sviluppo del dispositivo

 

Al termine della fase preliminare è stato possibile delineare i componenti essenziali che dovranno costituire il dispositivo e le loro caratteristiche, definendo quindi l’architettura hardware del braccialetto elettronico. In particolare gli elementi fondamentali risultano l’unità a microcontrollore (µC) munito di transceiver radio 2.4 GHz e la parte di alimentazione.

La prima ha il compito di acquisire i segnali dai sensori scelti (temperatura, pressione e accelerazione) e in caso di rilevazione di allarmi (pericolo per il soggetto, parametri non nella norma o rilevazione di caduta), attivare un led e far suonare un buzzer, infine, in caso di richiesta di soccorso, mandare un messaggio di allarme su rete wireless al sistema domotico.

Per quanto concerne la parete di alimentazione, questa dovrà occuparsi della fornitura delle varie tensioni di alimentazione per tutta l’elettronica del dispositivo.

In questa fase viene quindi svolta la progettazione del dispositivo tenendo presente in primo luogo l’ottimizzazione degli ingombri (il braccialetto dovrà essere poco invasivo quindi le dimensioni devono essere ridotte al massimo) e la riduzione dei costi.

In una prima analisi sono state verificate e valutate le prestazioni delle varie sottoparti del dispositivo. Si è osservato che la rilevazione della frequenza cardiaca attraverso il sensore di pressione non produce dati utili; per ottenere questo parametro il dispositivo dovrebbe essere necessariamente più costoso e poco duttile, risultando meno utilizzabile. Tale analisi ha condotto a ridisegnare un nuovo dispositivo braccialetto che consente il monitoraggio della temperatura e delle cadute accidentali, ma che sia al contempo compatto, facile nel suo utilizzo e poco costoso.

 

Nella fase finale dell’OR3 è stato eseguito anche un progetto firmware per permettere un controllo e un’analisi costante delle linee di allarme del sensore e trasmettere via radio il messaggio di allarme attraverso l’utilizzo del protocollo ZigBee. Il firmware ha anche il compito di effettuare ciclicamente controlli di diagnostica del sensore e comunicare via radio alla centrale antifurto il proprio stato.

Il sistema ISSR in cui il braccialetto elettronico si inserisce, è costituito da una rete wireless ZigBee, i cui nodi sono dislocati nell’ambiente domestico per il controllo e la sicurezza. Il braccialetto elettronico è equipaggiato con un microcontrollore ZigBee in grado di riportare verso un concentratore, ossia verso la centrale, i dati fisiologici raccolti dai sensori. Il firmware del braccialetto, che governa i processi e le operazioni del braccialetto elettronico, ha il compito di leggere periodicamente i parametri fisiologici rilevati dalla sensoristica e comunicarli via wireless alla centrale. In caso di caduta l’accelerometro a bordo del braccialetto elettronico segnala al microcontrollore la caduta che viene indicata dal lampeggio di un led e da un buzzer acustico, se entro 15 secondi il microcontrollore rileva un movimento, interpreterà la caduta come un falso allarme, viceversa l’allarme verrà inviato alla centrale che tramite il collegamento GSM invierà degli SMS a numeri telefonici in rubrica.

OR4 – Sviluppo della centrale antifurto

L’obbiettivo dell’OR4 è la progettazione di una centrale d’allarme multifunzione che, grazie a un microprocessore, è in grado di gestire contemporaneamente ed in modo efficace più apparati per svariate funzioni: antitrusione, antiscasso e antifurto.

L’obbiettivo è quello di realizzare una centrale di sicurezza che dovrà gestire le informazioni dello stato di pericolo, prodotta da rivelatori collegati ad essa sia con collegamenti filari sia tramite collegamenti radio.

In particolare la logica di controllo sviluppata su di essa deve possedere le seguenti capacità:

  • acquisizione delle informazioni pericolose generate dai rilevatori;
  • correlazione con lo stato  operativo del momento;
  • attivazione dei mezzi di dissuasione del momento;
  • comunicazione al centro remoto di ricezione allarmi dello stato di pericolo;

Oltre a queste caratteristiche comuni in tutte le centrale  in commercio, la Cupersafty ha voluto dare un impronta innovativa alla centrale antifurto assegnando ad essa nuove capacità funzionali legate non solo all’ambito della sicurezza ma anche a quello relativo al comfort domestico e alla safaty. Nello specifico il comfort include le capacità di:

  • attivazione attuatori radio da comando remoto;
  • attivazione di scenari;

Il safety domestico include la capacità di:

  • rilevazione stato di pericolo o caduta di utenti anziani equipaggiati con opportuni dispositivo;

 

A 4.1 Individuazione dei parametri di progettazione

Le attività svolte sono state coordinate dal beneficiario CuperSafety e condotte in collaborazione con Matrix partner del progetto.

La prima attività riguarda l’analisi e all’individuazione dei parametri di progettazione per rispondere ai requisiti funzionali di sicurezza, di comfort e di safety . In particolari si è definita l’elettronica di controllo (Microcontrollore o ARM) della centrale dell’intero sistema, che deve avere una capacità di elaborazione e memoria elevata, equipaggiata con dei moduli I/O, ADC e delle interfacce seriali (UART, SPI, I2C). Sono state definiti il numero di canali di comunicazione verso il mondo esterno disponibili sullo stesso apparato: LAN 10/100 Mb/s e teletrasmissione UMTS/GSM; Il collegamento verso gli apparati di rivelazione con la rete wireless ZigBee e l’organo di monitoraggio dello stato di pericolo dell’utente anziano. La centrale è stato ideata in modo tale da possedere la capacità di costituire da sola un sistema di sicurezza, data la scelta di mantenere su essa gli ingressi di sensori filari e delle uscite degli attuatori. Quindi, nei casi di sistemi poco estesi, è sufficiente installare solo la centrale e gli organi di comando e monitoraggio per fornire tutti i servizi di securety, safety e comfort.

A 4.2 Progettazione e sviluppo della centrale antifurto

In base ai parametri progettuali individuati nell’attività 4.1 è stato definito lo sviluppo e la progettazione dei moduli hardware e firmware che costituiscono la centrale. Un gruppo di lavoro si è occupato della progettazione hardware della scheda della centrale composta da diverse sotto attività dedicata ai diversi moduli:

  • Sistema di controllo centrale
  • Modulo Zigbee
  • Modulo GSM/UMTS
  • Interfacce sensori filare
  • Interfacce attuatori filare
  • Modulo di alimentazione

Progettazione sistema di controllo centrale

La logica di controllo della scheda è affidata ad un ARM a 32bit che offre la possibilità di sviluppare un web server, un’interfaccia USB, una serie di interfacce seriali per dialogare con il modulo GSM, il modulo ZigBee e in ultimo controlla tutte le zone in ingresso.

La Centrale antifurto è stata progettata come gateway per accedere ai servizi della rete wireless domestica, per questo sull’ARM è stata predisposta una conessione Ethernet TCP/IP utilizzando reti LAN per la comunicazione dei dati relativi al sistema di sicurezza.

Progettazione modulo radio ZigBee  2.4GHz

Front-end Radio RF 2.4 GHz è stato progettato con un modulo ZigBee che possiede un stadio di amplificazione del segnale RF esterno al singl-chip che aumenta la potenza di trasmissione e migliori la sensibilità di ricezione.

Nello specifico è stato portato il livello di potenza in trasmissione il più alto possibile sull’antenna inserendo un Power Amplifier PA esterno. Inoltre il front-end RF è stato progettato con un SMA per il collegamento di un’antenna a monopolo esterna e allo stesso tempo di un’Inverted F antenna stampata su PCB, entrambe con impedenza d’ingresso a 50Ω e collegabili in modo esclusivo tramite una resistenza 0Ω allo stadio di amplificazione RF.

Il modulo ZigBee interfacciato al cervello della centrale costituito da un ARM tramite una seriale UART, ha il compito di dialogare con tutti i dispositivi della rete wireless ZigBee a cui la centrale è collegata.

 

Progettazione Modulo GSM/UMTS

Il modulo GSM/UMTS ha il compito di trasmettere in remoto gli allarmi e allo stesso tempo essere un gateway per comandare l’impianto domotico da remoto. L’ interfaccia all’ ARM è stata progettata con due seriali, la prima è l’ UART necessaria al controllo e al comodo del modulo GSM/UMTS una seconda SPI è necessaria ad eventuali scambio di dati più pesanti. Inoltre ARM controllerà la linea di RESET del modulo GSM/UMTS.

 

Interfacce sensori filare

L’interfaccia contatti sensori permette di collegare al sistema antifurto 8 linee per protezioni perimetrali o sensori specifici. I contatti previsti possono essere i comuni magneti per la protezione di porte e finestre, o il relè di allarme di più complessi sensori quali barriere a microonde, ad infrarosso, etc.

Interfacce attuatori filare

L’interfaccia contatti attuatori è stata progettata per permettere alla centrale di pilotare fino a 8 linee, relè da 16A.

 

Modulo di alimentazione

Il modulo alimentazione progettato per la centrale è caratterizzato da una tensione di ingresso 230VAC e una tensione in uscita a bassa tensione in DC per l’elettronica di controllo e 12V per le periferiche, garantendolo anche nei momenti di mancanza rete l’alimentazione. A tale proposito è prevista la presenza di una batteria 12V ricaricabile al piombo. Dimensionamento e capacità da definire secondo i gradi di sicurezza imposti dalla norme.

L’attività di progettazione del firmware si è sviluppata su tre microcontrollori  principali:

  • Centrale ARM LPC1768
  • Modem ZigBee MC1322x
  • Modem GSM Q2686

La logica di controllo della centrale ARM è il cervello dell’intero sistema, il suo firmware, denominato FW_ARM_CCL, Firmware ARM Central Control Logic, ha il compito di controllare tutte le periferiche, analizzare tutti i segnali filari, ricevere e fornire informazioni da remoto tramite webserver, analizzare i messaggi wireless dei dispositivi e dei sensori ricevuti tramite  modem ZigBee e trasmettere segnalazioni di allarme remote tramite Modem GSM. Sul modem ZigBee gira il firmware denominato FW_ZB_CIE, Firmware ZigBee for  Control and Indicating Equipment, applicativo basato sullo stack di comunicazione ZigBee con profilo Home Automation per sistemi di allarmi, che acquisisce segnali dalle zone e invia il messaggio al controller ARM. Sul modem GSM gira  il Fw_GSM_AD, Firmware for GSM Allarm Dialer,  che si occupa dell’ invio, in caso di allarme, di messaggi di testo su tre cellulari ed  effettua fino a 7 chiamte su 7 diverse utenze  telefoniche.

OR5 – Integrazione e sperimentazione del sistema prototipale

Nell’OR5 viene trattata l’analisi delle problematiche relative all’integrazione del sistema, delle quali si considerano in particolar modo tutte le problematiche intrinseche dell’utilizzo di un protocollo di rete ZigBee e più in generale le problematiche delle trasmissioni via radio. Viene inoltre documentata la realizzazione di un sistema prototipale nel quale sono contenuti i componenti hardware sviluppati nei precedenti obiettivi realizzativi. Vengono quindi esposte le modalità adottate per il test di un impianto dimostrativo e dei risultati raggiunti, per concludere con una breve valutazione sulla potenzialità del sistema.

 

L’analisi ha riguardato i punti più critici di un sistema fondamentalmente basato su comunicazioni wireless.

In primo luogo viene presentato il sistema di comunicazione wireless ZigBee ponendo attenzione alle problematiche relative al profilo di nostro interesse, ovvero il ZigBee Home Automation, con riferimento esplicito all’estensione Intruder Alert System (IAS).

Si è quindi eseguito un test su quelle che sono le performances radio dei dispositivi utilizzati che va ad esaminare nello specifico:

  • Numero di nodi
  • Copertura radio
  • Packet Error Rate (PER) e Link Qualità Indicator (LQI)
  • Tempi-Latenza dati
  • Condizioni di propagazione del canale radio
  • Capacità trasmissiva reale del canale
  • Affidabilità

Si passa quindi all’analisi dell’affidabilità della rete, caratterizzata dall’utilizzo di una banda radio condivisa da altri protocolli. Si effettuano nello specifico test di coesistenza con le reti wireless più diffuse che si appoggiano alla banda dei 2.4Ghz, ovvero il protocollo Wi-Fi IEEE 802.11b/g e il Bluetooth.

Si passa infine all’analisi dell’affidabilità della rete ZigBee con un occhio di riguardo alla sua evoluzione, ZigBee PRO, il quale ha mostrato una affidabilità della rete nettamente superiore grazie all’implementazione di nuovi protocolli di routing.

 

 

A 4.2 Realizzazione e sperimentazione del sistema prototipale

 

In questa fase viene realizzato un sistema prototipale che rispecchia quella che dovrebbe essere una tipica installazione domestica:

  • Centrale antifurto
  • Dongle ZigBee USB
  • Monitoraggio di due zone wireless tramite un sensore di presenza per zona
  • Monitoraggio di una zona filare tramite sensore di presenza
  • Un braccialetto elettronico
  • Due attuatori collegati alle luci
  • Un attuatore collegato ad una tapparella

 

 

 

Vengono mostrati i dispositivi realizzati e ne vengono evidenziate le peculiarità che garantiscono al sistema caratteristiche di modularità, espandibilità ed adattabilità. Vengono quindi esplicate le procedure adottate per i test effettuati e quindi i risultati ottenuti.

Successivamente vengono esposti i risultati ottenuti nel tentativo di interazione del nostro sistema con moduli aderenti allo standard ZigBee prodotti da terze parti. Nello specifico viene testata la compatibilità del sistema con un kit composto da un rivelatore di gas metano, un sensore magnetico un dimmer ed un interruttore.

 

 

OR6 – Divulgazione dei risultati

Questa è una fase importante per diverse ragioni, in primo luogo vengono trasferite le logiche che hanno guidato lo sviluppo del progetto con particolare riferimento alla modularità e adattabilità, che sono caratteristiche del progetto a tutti i livelli, dall’impostazione del sistema nella definizione delle specifiche, allo sviluppo degli obiettivi realizzativi, alle varie attività fino ai singoli dispositivi costituenti il sistema stesso.

Inoltre lo strumento della diffusione dei risultati può diventare fondamentale per lo sviluppo futuro del progetto se viene dedicata la giusta attenzione alle osservazioni che provengono sia dagli esperti del settore che da cittadini interessati al prodotto finale.

La fase di divulgazione dei risultati è stata sviluppata pensando di coinvolgere non solo esperti del settore potenzialmente interessati al prodotto, ma anche ricercatori e docenti universitari che svolgono la propria attività di ricerca sulle medesime tecnologie. Una particolare momento di divulgazione si è avuto presso il dipartimento di Elettronica ed Elettrotecnica del Politecnico di Bari, nel quale è stato organizzato un evento di con relatori il Prof. Ing. Cristoforo Marzocca, l’Ing. Gianfranco Spalluto, l’Ing. Michele Gurrado e l’Ing. Simone Vitucci, seguendo una scaletta suddivisa in tre argomenti principali:

 

  • Presentazione del progetto degli obiettivi e dei partner che hanno collaborato allo stesso.
  • Presentazione degli obiettivi realizzativi svolti e del sistema con i suoi componenti hardware realizzati.
  • Presentazione del progetto sotto il punto di vista firmware. Protocolli di rete e funzionalità implementate.

 

Nella prima parte della presentazione, il Prof. Ing. Marzocca ha effettuato la presentazione del progetto in collaborazione dell’Ing. Gianfranco Spalluto. Dopo una breve presentazione del partenariato che ha sviluppato il progetto, sono state indicate le logiche che hanno caratterizzato le varie attività. Partendo da un’analisi del contesto in cui emerge sempre più l’esigenza della sicurezza e il bisogno di integrare i sistemi che la garantiscono, si è sviluppata l’idea di realizzare un innovativo sistema che sia modulare, adattabile, estendibile capace di adeguarsi alle svariate esigenze degli utenti (mettere in sicurezza solo un miniappartamento o anche una villa con il giardino, capace di comunicare con un sistema domotico o eventualmente anche con un sistema di produzione di energia da fonti rinnovabili).

La filosofia progettuale ha guidato tutte le attività che hanno condotto alla realizzazione del sistema, dall’individuazione delle specifiche tecniche alla progettazione, fino alla realizzazione delle singole schede, anch’esse definite con criteri di modularità, adattabilità ed integrabilità.

Come il tutto è stato operativamente svolto dal punto di vista hardware e frimware è stato presentato dall’Ing. Gurrado e l’Ing. Vitucci. Il primo ha presentato l’architettura hardware del sistema, partendo dall’analisi effettuata sullo stato dell’arte, comprendente i sistemi di sicurezza commerciali wireless e wired ed inoltre i requisiti funzionali e non funzionali individuati. Successivamente è stato presentato il lavoro di progettazione e realizzazione hardware svolto negli obiettivi realizzativi, evidenziandone le scelte progettuali e illustrando i prototipi ottenuti.

Nell’ultima parte della esposizione, è intervenuto l’Ing. Vitucci, che ha esposto l’architettura firmware sulla quale si basano i componenti del sistema, evidenziando le scelte progettuali e le ottimizzazioni messe in pratica per l’ottimale integrazione tra loro dei vari componenti del sistema. La trattazione si è conclusa con una descrizione dei protocolli wireless adottati evidenziandone i pregi ed i difetti.

 

Nell’ottica di divulgare al più ampio numero di interessati i risultati del progetto, è stato realizzato un sito internet nel quale vengono esposte le caratteristiche principali del sistema ed in cui sarà possibile ottenere maggiori dettagli relativi al progetto stesso.