Applicazione IoT in un servizio di ispezione con droni per il controllo ambientale
Nel corso della sperimentazione è stata svolta un'attività esplorativa sperimentale con un servizio di ispezione con droni per il controllo ambientale in campo aperto per validare l'intera catena, dall'allerta alla missione drone, arricchita da una piattaforma Smart City per consentire a un decisore di gestire al meglio la situazione.
L'obiettivo del servizio è quello di fornire supporto tecnico ai responsabili delle decisioni nella gestione del rischio ambientale. Il servizio proposto utilizza l'IoT per l'interazione tra un'applicazione mobile, una piattaforma Smart City e un Unmanned Aircraft System (UAS).
L'applicazione mobile consente agli utenti di segnalare situazioni rischiose, come accensione di incendi, sversamenti di inquinanti nell'acqua o scarico illegale; l'utente deve solo specificare la classe dell'evento, mentre le coordinate geografiche vengono automaticamente prese dal GPS integrato nel dispositivo. Il messaggio inviato dall'applicazione mobile arriva a una piattaforma Smart City, che mostra tutti gli avvisi ricevuti su una mappa satellitare 3D, per supportare i responsabili delle decisioni nella scelta in cui è richiesta un'ispezione con drone. Dalla piattaforma Smart City, il messaggio viene inviato all'operatore del servizio drone; un file CSV che definisce l'itinerario del drone viene automaticamente costruito e mostrato attraverso la piattaforma; il drone inizia la missione fornendo un video, che viene utilizzato dai decisori per capire se la situazione richiede un'azione immediata.
Applicazione mobile per segnalare eventi potenzialmente pericolosi;
Piattaforma Smart City per raccogliere e mostrare tutti gli alert in una mappa 3D satellitare, e inviare la richiesta di un sopralluogo tramite drone;
Sistema per gestire le ispezioni effettuate da un drone, compresa la definizione di un file CSV dell'itinerario.
L’Applicazione Mobile
Il tipico caso d’uso inizia quando un utente finale dell’applicazione mobile osserva un rischio per l’ambiente e lo segnala a una sala di controllo. La presente versione dell’applicazione consente la segnalazione i seguenti rischi ambientali:
- accensione del fuoco;
- versamenti di inquinanti nell’acqua;
- scarico illegale;
- altro (in questo caso è richiesto un ulteriore messaggio testuale)
Piattaforma Smart City
La piattaforma Smart City utilizzata nell’attività presentata è stata sviluppata dal CRS4 nel contesto della città di Cagliari per gestire l’acquisizione, la persistenza, l’elaborazione e la presentazione dei dati.
Un’infrastruttura ambiziosa in grado di connettere un vasto territorio e acquisire grandi quantità di dati in molti contesti diversi richiede necessariamente l’utilizzo di un approccio modulare che affronti i singoli aspetti, dalla gestione dei dati alla presentazione delle informazioni elaborate. Per far fronte all’enorme quantità di dati in arrivo dal territorio, i punti chiave nello sviluppo della piattaforma sono flessibilità, stabilità e scalabilità. In questo contesto, questa piattaforma copre una città ma può essere facilmente scalata in un’area più ampia. Questi requisiti vengono raggiunti seguendo le strategie di apertura e riusabilità del software al fine di evitare il lock-in tecnologico, ed estenderne così l’utilizzo a molteplici contesti. Lo scopo della piattaforma è duplice: in background si occupa di gestire i dati che possono essere veicolati alla piattaforma; al front-end raccoglie e presenta al coordinatore tutte le informazioni disponibili per il supporto decisionale.
Dettagli tecnici dell’inserimento dei dati e del front-end
Nello specifico scenario legato ai droni, il back end della piattaforma riceve il flusso di alert inviati tramite l’applicazione mobile, attraverso una catena di regole implementata con la piattaforma IoT open source ThingsBoard. L’approccio utilizzato è stato quello di gestire le informazioni e le comunicazioni come se fossero dati generati da sensori IoT e progettare il flusso con una piattaforma IoT dedicata per sfruttarne la versatilità e la robustezza.
Il front-end della piattaforma è un potente strumento per supportare il decisore nella selezione degli avvisi che richiedono un’ispezione con drone. Vediamo la piattaforma Smart City, con alcuni alert relativi all’accensione incendio e allo scarico illegale.
Risultati
L’attività di test sul campo ha riguardato l’intera soluzione presentata, dall’alert alla fine della missione drone, gestita attraverso la piattaforma Smart City. Purtroppo, un’ampia no fly zone, a causa delle restrizioni sui droni sulle aree militari e urbane, ha portato alla scelta di un luogo rurale a circa 15 km da Cagliari. Lì, tre persone hanno usato un drone per simulare una base operativa, un’altra persona è andata nelle vicinanze con un telefono cellulare per inviare avvisi, mentre una persona dell’ufficio ha finto di essere il decisore e ha selezionato uno degli avvisi per richiedere un’ispezione tramite drone.
Va specificato che in un contesto reale il numero di persone richieste è inferiore al numero di persone che sono state coinvolte nella simulazione sul campo; infatti, è sufficiente una sola persona per effettuare la segnalazione, che dovrebbe essere un cittadino comune disposto a comunicare una situazione di rischio. Per gestire la piattaforma smart city, il decisore può guidare l’ispezione ambientale insieme a un pianificatore di volo e un pilota (ma possono essere la stessa persona). Va detto che in alcuni paesi (come in Italia), a causa dei già citati problemi di sicurezza, l’operatore del drone deve guidare il drone senza perderlo di vista, ma i droni sono già tecnicamente in grado di sostituire gli esseri umani nelle ispezioni ambientali. Ecco un foto della base operativa, scattata dal drone.
L’esperimento è stato completato in meno di mezz’ora. Un problema legato alla precisione delle coordinate GPS, derivante dal fatto che il telefono cellulare non era connesso al Wi-Fi, richiede qualche considerazione in più.
La precisione del sistema GPS degli smartphone dipende da diversi fattori. Prima di tutto, quando un GPS è attivato o se il GPS è stato inattivo in background per troppo tempo, il GPS deve recuperare i dati dai satelliti che descrivono la posizione e la tempistica di tutti i satelliti nel sistema. Questo può richiedere fino a 4 minuti per essere corretto, e durante questo periodo il GPS non è affidabile (questo è il cosiddetto “cold start”). Solitamente, per far fronte all’imprecisione GPS il sottosistema Android utilizza diversi metodi; uno di questi è la connessione Wi-Fi in grado di fornire una prima georeferenziazione, che viene poi affinata con i dati satellitari; l’assenza di Wi-Fi rallenta il processo di “cold start”.
Un altro fattore è legato alla gestione dell’energia Android e alle sue personalizzazioni: più è aggressivo, più il sensore tenderà a spegnersi per migliorare le prestazioni della batteria.
L’app mobile presentata in questo progetto è POC e quindi soggetta a diversi miglioramenti; per risolvere molti di questi problemi è possibile imporre lo sviluppo dell’applicazione per forzare l’app ad essere sempre attiva, e quindi con le coordinate GPS aggiornate. Nell’immagine seguente troviamo il drone durante la missione in campo aperto.
La figura sotto mostra invece due avvisi e i punti per l’ispezione.
Allo stato attuale, il drone può condividere un video in streaming dell’area su YouTube tramite il telefono cellulare collegato al controller del drone. Una volta terminata la missione, il video viene reso disponibile anche sulla piattaforma, come mostrato nella figura che segue. Sulla base del video, il decisore può determinare se è necessaria un’ispezione da parte di un team e questo chiude la catena.
Si può dire che ci sono due tipi di limitazioni comuni a qualsiasi servizio basato su droni: tecnico e normativo. I limiti tecnici possono essere superati da un’evoluzione innovativa, mentre quelli normativi possono essere aggirati con un’apposita licenza rilasciata dalle autorità per operare in situazioni di emergenza. Il test sul campo è stato sufficiente per comprendere meglio i vantaggi e gli svantaggi della soluzione proposta, che sono le sfide incontrate da qualsiasi sistema simile e che sono riassunti di seguito.
Il vantaggio principale della soluzione presentata è che nella centrale operativa, il decisore può gestire molti tipi di report provenienti da tutte le applicazioni verticali implementate sulla piattaforma Smart City, non solo quelle relative al caso d’uso presentato. In effetti, le informazioni generate da questa specifica applicazione sono solo una delle tante, costruite su dati raccolti da sensori e altre fonti, che insieme compongono la sala di controllo di una Smart City, fornendo al decisore una visione olistica di ciò che sta accadendo nell’area.
Un importante vantaggio legato all’utilizzo di un drone è che è facile volare a basse e bassissime altitudini, rispetto agli aerei con equipaggio; per questo motivo, grazie alla videocamera di bordo, è stato possibile ottenere immagini ad alta risoluzione e riprodurre il video.
Un altro vantaggio è legato alla possibilità per il drone di raggiungere siti di difficile accesso, come il lago vicino, se necessario.
Lo svantaggio principale è legato alla batteria: il drone doveva essere ricaricato per un paio d’ore prima della missione, e la sua autonomia non sarebbe durata più di 25 min (come già accennato nella Sezione 2.3); questo implica anche che il drone dovrebbe essere tenuto completamente carico per essere sempre pronto per missioni impreviste.
Un altro svantaggio è legato alle restrizioni Beyond Visual Line of Sight (BVLOS), perché in alcune situazioni del mondo reale sarebbe utile avere la possibilità di guidare il drone per un’ispezione in zone impervie.
La mancanza di connessione è anche un problema critico della soluzione proposta, limitando significativamente il territorio operativo, che è già ridotto da altri tipi di zone di divieto di volo, come aree urbane, zone militari, ecc.
Infine, le condizioni meteorologiche avverse possono complicare in modo significativo se non ostacolare completamente le operazioni.