22 IEEE INTERNET OF THINGS JOURNAL, VOL. 1, NO. 1, FEBRUARY 2014 Internet of Things for Smart Cities Andrea Zanella, Senior Member, IEEE, Nicola Bui, Angelo Castellani, Lorenzo Vangelista, Senior Member, IEEE, and Michele Zorzi, Fellow, IEEE Abstract—The Internet of Things (IoT) shall be able to incorpo- rate transparently and seamlessly a large number of different and heterogeneous end systems, while providing open access to selected subsets of data for the development of a plethora of digital services. Building a general architecture for the IoT is hence a very complex task, mainly because of the extremely large variety of devices, link layer technologies, and services that may be involved in such a system. In this paper, we focus specifically to an urban IoT system that, while still being quite a broad category, are characterized by their specific application domain. Urban IoTs, in fact, are designed to support the Smart City vision, which aims at exploiting the most advanced communication technologies to support added- value services for the administration of the city and for the citizens. This paper hence provides a comprehensive survey of the enabling technologies, protocols, and architecture for an urban IoT. Fur- thermore, the paper will present and discuss the technical solutions and best-practice guidelines adopted in the Padova Smart City project, a proof-of- concept deployment of an IoT island in the city of Padova, Italy, performed in collaboration with the city municipality. Index Terms—Constrained Application Protocol (CoAP), Efficient XML Interchange (EXI), network architecture, sensor system integration, service functions and management, Smart Cities, testbed and trials, 6lowPAN. I. INTRODUCTION El Internet de las Cosas (IoT) es un paradigma de la comunicación reciente que imagina un futuro cercano, en el que los objetos de la vida cotidiana estarán equipados con micro controladores, transceptores de comunicación digital, y pilas de protocolos adecuados que les haga capaces de comunicarse entre sí y con los usuarios, convirtiéndose en una parte integral de la Internet [ 1 ]. El concepto de la IoT, por lo tanto, tiene como objetivo hacer que Internet sea aún más in mensa y penetrante. Además, al permitir un fácil acceso y la interacción con una amplia variedad de dispositivos tales como, por ejemplo, electrodomésticos, cámaras de vigilancia, el seguimiento ,sensores, actuadores, displays, vehículos y así Manuscript received November 10, 2013; revised February 06, 2014; accepted February 11, 2014. Date of publication February 14, 2014; date of current version May 05, 2014. This work has been supported in part by the European Commission through the FP7 EU project “Symbiotic Wireless Autonomous Powered system” (SWAP, Grant 251557, http://www.fp7-swap.eu/). Michele Zorzi and Lorenzo Vangelista are founding members of Patavina Technologies s.r.l., 35131 Padova, Italy. A. Zanella, L. Vangelista, and M. Zorzi are with the Department of Information Engineering, University of Padova, 35131 Padova, Italy, and also with Consorzio Ferrara Ricerche (CFR), 44122 Ferrara, Italy (e-mail: [email protected]). A. Castellani was with Department of Information Engineering, University of Padova, Padova, Italy. He is now with TeSAN, 36100 Vicenza, Italy. N. Bui was with Patavina Technologies s.r.l., Vicenza, Italy, and with Consorzio Ferrara Ricerche, Ferrara, Italy. He is now with Institute IMDEA Networks, 28918 Madrid, Spain. Color versions of one or more of the figures in this paper are available online at http://ieeexplore.ieee.org. la IoT fomentará el desarrollo de una serie de aplicaciones que hacen uso de la potencialmente enorme cantidad y variedad de datos generados por este tipo de objetos para proporcionar nuevos servicios a los ciudadanos, empresas y administraciones públicas. Este paradigma de hecho encuentra aplicación en muchos campos diferentes, como la domótica, automatización industrial, ayudas médicas, salud móvil, la asistencia de ancianos, la gestión inteligente de la energía y las redes inteligentes, la automoción, la gestión del tráfico, y muchos otros [ 2 ].Sin embargo, un campo tan heterogénea de aplicación hace que la identificación de soluciones capaces de satisfacer las necesidades de todos los posibles escenarios de aplicación un reto formidable. Esta dificultad ha llevado a la proliferación de diferentes y, a veces, propuestas incompatibles para la realización práctica de sistemas de IO. Por lo tanto, desde una perspectiva de sistema, la realización de una red de la IO, junto con los servicios de red de backend necesarios y dispositivos, todavía carece de una mejor práctica establecida por su novedad y complejidad. Además de las dificultades técnicas, la adopción del paradigma de la IO también se ve obstaculizada por la falta de un modelo de negocio claro y ampliamente aceptado que puede atraer inversiones para promover el despliegue de estas tecnologías [ 3 ].de las zonas comunes, la preservación del patrimonio cultural, la recolección de basura, la salubridad de los hospitales, y escuela. 1 Por otra parte, la disponibilidad de diferentes tipos de datos, recopilados por un omnipresente IoT urbano, también puede ser explotado para En realizando así el llamado Smart City concepto [ 4 ]. Aunque todavía no existe una definición formal y ampliamente aceptada de "Smart City", el objetivo final es hacer un mejor uso de los recursos públicos, el aumento de la calidad de los servicios ofrecidos a los ciudadanos, al tiempo que reduce los costes operativos de la opinión pública administraciones. Este objetivo puede ser perseguido por el despliegue de una IoT urbano, es posibles sinergias y aumentar la transparencia decir, una infraestructura de comunicación que proporciona acceso unificado, simple y económica para una gran cantidad de servicios públicos, desatando de este modo para los ciudadanos. Un IoT urbano, de hecho, puede traer una serie de beneficios en la gestión y optimización de los servicios públicos tradicionales, como el transporte y estacionamiento, iluminación, vigilancia y mantenimiento aumentar la transparencia y promover las acciones del gobierno local hacia los ciudadanos, aumentar la conciencia de la gente sobre el estado de su ciudad, estimular la participación activa de los ciudadanos en la gestión de la administración pública, así como estimular la creación de nuevos servicios sobre los que proporciona el IoT [ 5 ]. Digital Object Identifier 10.1109/JIOT.2014.2306328 SmartSantander [Online]. Available: http://www.smartsantander.eu/.
trata de la ciudades inteligentes como la tecnología va avanzando en el mundo
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22 IEEE INTERNET OF THINGS JOURNAL, VOL. 1, NO. 1, FEBRUARY 2014
Internet of Things for Smart Cities
Andrea Zanella, Senior Member, IEEE, Nicola Bui, Angelo Castellani,
Lorenzo Vangelista, Senior Member, IEEE, and Michele Zorzi, Fellow, IEEE
Abstract—The Internet of Things (IoT) shall be able to
incorpo- rate transparently and seamlessly a large number of different and heterogeneous end systems, while providing open access to selected subsets of data for the development of a plethora of digital services. Building a general architecture for the IoT is hence a very complex task, mainly because of the extremely large variety of devices, link layer technologies, and services that may be involved in such a system. In this paper, we focus specifically to an urban IoT system that, while still being quite a broad category, are characterized by their specific application domain. Urban IoTs, in fact, are designed to support the Smart City vision, which aims at exploiting the most advanced communication technologies to support added-value services for the administration of the city and for the citizens. This paper hence provides a comprehensive survey of the enabling technologies, protocols, and architecture for an urban IoT. Fur- thermore, the paper will present and discuss the technical solutions and best-practice guidelines adopted in the Padova Smart City project, a proof-of-concept deployment of an IoT island in the city of Padova, Italy, performed in collaboration with the city municipality.
Index Terms—Constrained Application Protocol (CoAP), Efficient XML Interchange (EXI), network architecture, sensor system integration, service functions and management, Smart Cities, testbed and trials, 6lowPAN.
I. INTRODUCTION
El Internet de las Cosas (IoT) es un paradigma de la comunicación reciente que imagina un futuro cercano, en el que los objetos de la vida cotidiana estarán equipados con micro controladores, transceptores de comunicación digital, y pilas de protocolos adecuados que les haga capaces de comunicarse entre sí y con los usuarios, convirtiéndose en una parte integral de la Internet [ 1 ]. El concepto de la IoT, por lo tanto, tiene como objetivo hacer que Internet sea aún más in mensa y penetrante. Además, al permitir un fácil acceso y la interacción con una amplia variedad de dispositivos tales como, por ejemplo, electrodomésticos, cámaras de vigilancia, el seguimiento ,sensores, actuadores, displays, vehículos y así
Manuscript received November 10, 2013; revised February 06, 2014; accepted February 11, 2014. Date of publication February 14, 2014; date of current version May 05, 2014. This work has been supported in part by the European Commission through the FP7 EU project “Symbiotic Wireless Autonomous Powered system” (SWAP, Grant 251557, http://www.fp7-swap.eu/). Michele Zorzi and Lorenzo Vangelista are founding members of Patavina Technologies s.r.l., 35131 Padova, Italy.
A. Zanella, L. Vangelista, and M. Zorzi are with the Department of Information Engineering, University of Padova, 35131 Padova, Italy, and also with Consorzio Ferrara Ricerche (CFR), 44122 Ferrara, Italy (e-mail: [email protected]). A. Castellani was with Department of Information Engineering, University of Padova, Padova, Italy. He is now with TeSAN, 36100 Vicenza, Italy. N. Bui was with Patavina Technologies s.r.l., Vicenza, Italy, and with Consorzio Ferrara Ricerche, Ferrara, Italy. He is now with Institute IMDEA Networks, 28918 Madrid, Spain. Color versions of one or more of the figures in this paper are available online at http://ieeexplore.ieee.org.
la IoT fomentará el desarrollo de una serie de aplicaciones que
hacen uso de la potencialmente enorme cantidad y variedad de
datos generados por este tipo de objetos para proporcionar
nuevos servicios a los ciudadanos, empresas y administraciones
públicas. Este paradigma de hecho encuentra aplicación en
muchos campos diferentes, como la domótica, automatización
industrial, ayudas médicas, salud móvil, la asistencia de
ancianos, la gestión inteligente de la energía y las redes
inteligentes, la automoción, la gestión del tráfico, y muchos
otros [ 2 ].Sin embargo, un campo tan heterogénea de
aplicación hace que la identificación de soluciones capaces de
satisfacer las necesidades de todos los posibles escenarios de
aplicación un reto formidable. Esta dificultad ha llevado a la
proliferación de diferentes y, a veces, propuestas incompatibles
para la realización práctica de sistemas de IO. Por lo tanto,
desde una perspectiva de sistema, la realización de una red de la
IO, junto con los servicios de red de backend necesarios y
dispositivos, todavía carece de una mejor práctica establecida
por su novedad y complejidad. Además de las dificultades
técnicas, la adopción del paradigma de la IO también se ve
obstaculizada por la falta de un modelo de negocio claro y
ampliamente aceptado que puede atraer inversiones para
promover el despliegue de estas tecnologías [ 3 ].de las zonas
comunes, la preservación del patrimonio cultural, la recolección
de basura, la salubridad de los hospitales, y escuela.1 Por otra
parte, la disponibilidad de diferentes tipos de datos, recopilados
por un omnipresente IoT urbano, también puede ser explotado
para En realizando así el llamado Smart City concepto
[ 4 ]. Aunque todavía no existe una definición formal y
ampliamente aceptada de "Smart City", el objetivo final es
hacer un mejor uso de los recursos públicos, el aumento de la
calidad de los servicios ofrecidos a los ciudadanos, al tiempo
que reduce los costes operativos de la opinión pública
administraciones. Este objetivo puede ser perseguido por el
despliegue de una IoT urbano, es posibles sinergias y aumentar
la transparencia decir, una infraestructura de comunicación que
proporciona acceso unificado, simple y económica para una
gran cantidad de servicios públicos, desatando de este modo
para los ciudadanos. Un IoT urbano, de hecho, puede traer una
serie de beneficios en la gestión y optimización de los servicios
públicos tradicionales, como el transporte y estacionamiento,
iluminación, vigilancia y mantenimiento aumentar la
transparencia y promover las acciones del gobierno local hacia
los ciudadanos, aumentar la conciencia de la gente sobre el
estado de su ciudad, estimular la participación activa de los
ciudadanos en la gestión de la administración pública, así como
estimular la creación de nuevos servicios sobre los que
proporciona el IoT [ 5 ].
Digital Object Identifier 10.1109/JIOT.2014.2306328 SmartSantander [Online]. Available: http://www.smartsantander.eu/.
para definir un criterio de clasificación que se puede utilizar
para evaluar el nivel de la "astucia" de las ciudades
europeas. Sin embargo, el mercado de Smart City no ha tenido
tanto éxito, sin embargo, por una serie de barreras políticas,
técnicas y financieras [ 6 ].
En la dimensión política, el principal obstáculo es la atribución
de poder de decisión a los diferentes grupos de interés. Una
forma posible de eliminar este obstáculo es institucionalizar el
proceso de decisión y ejecución, concentrándose la
planificación y gestión de los aspectos inteligentes ciudad
estratégica en un único departamento dedicado en la ciudad
[ 7 ].
En el aspecto técnico, el tema más relevante consiste en la
noninteroperability de las tecnologías heterogéneas que se
utilizan actualmente en la ciudad y los desarrollos urbanos. En
este sentido, la visión de la IoT puede convertirse en la piedra
angular para darse cuenta de plataforma TIC a escala urbana
unificado, desatando así el potencial de la visión Smart
City [ 8 ], [ 9 ].
Por último, en relación con la dimensión financiera, un modelo de negocio claro todavía falta, aunque alguna iniciativa para llenar este vacío ha sido recientemente llevado a cabo [ 10 ].
ZANELLA et al.: INTERNET OF THINGS FOR SMART CITIES 25
Monitoreo de Ruido: El ruido puede ser visto como una forma
de contaminación acústica tanto como óxido de carbono (CO)
es para el aire. En ese sentido, las autoridades de la ciudad ya
han emitido leyes específicas para reducir la cantidad de ruido
en el centro de la ciudad en horas específicas. Un IoT urbana
puede ofrecer un servicio de monitoreo de ruido para medir la
cantidad de ruido producido en cualquier hora dada en los
lugares que adoptan el servicio [ 14 ]. Además de la
construcción de un mapa del espacio-tiempo de la
contaminación acústica en la zona, este servicio también puede
utilizarse para reforzar la seguridad pública, por medio de
algoritmos de detección de sonido que pueden reconocer, por
ejemplo, el ruido de los accidentes de vidrio o peleas. Este
servicio, por tanto, puede mejorar tanto la tranquilidad de las
noches en la ciudad y la confianza de los propietarios de
establecimientos públicos, a pesar de la instalación de
detectores de sonido o micrófonos ambientales es bastante
controversial, debido a las preocupaciones sobre la privacidad
obvias para este tipo de monitoreo.
La congestión de tráfico: En la misma línea de la calidad del
aire y monitoreo de ruido, un posible servicio de Smart City
que se pueden activar por IoT urbana consiste en el seguimiento
de la congestión del tráfico en la ciudad. A pesar de que los
sistemas de monitoreo de tráfico basados en cámaras ya están
disponibles y desplegado en muchas ciudades, de baja potencia
la comunicación generalizada puede proporcionar una fuente
más densa de la información. Monitoreo de tráfico se puede
realizar mediante el uso de las capacidades de detección y GPS
instalados en los vehículos modernos [ 15 ], y también la
adopción de una combinación de la calidad del aire y sensores
acústicos por un camino determinado. Esta información es de
gran importancia para las autoridades de la ciudad y los
ciudadanos: para el primero a la disciplina del tráfico y para
enviar los oficiales cuando sea necesario y para este último para
planificar con antelación la ruta para llegar a la oficina o para
programar mejor un viaje de compras al centro de la ciudad.
Ciudad de la Energía Consumo: Junto con el servicio de
monitoreo de calidad del aire, la IoT urbana puede proporcionar
un servicio para monitorear el consumo de energía de toda la
ciudad, lo que permite que las autoridades y los ciudadanos a
obtener una visión clara y detallada de la cantidad de energía
requerida por los diferentes servicios (alumbrado público,
transporte, semáforos, cámaras de control, calefacción /
refrigeración de edificios públicos, etc.). A su vez, esto hará
que sea posible identificar las principales fuentes de consumo
de energía y establecer prioridades con el fin de optimizar su
comportamiento. Esto va en la dirección indicada por la
directiva europea para la mejora de la eficiencia energética en
los próximos años. Con el fin de obtener un servicio de este
tipo, dispositivos de monitoreo consumo de energía deben
integrarse con la red eléctrica en la ciudad. Además, también
será posible mejorar estos servicios con todas las funciones
activas para el control de las estructuras de producción de
energía locales (por ejemplo, los paneles fotovoltaicos).
Inteligente Aparcamiento: El servicio de estacionamiento
inteligente se basa en sensores de carretera y pantallas
inteligentes que los automovilistas directos a lo largo el mejor
camino para el estacionamiento en la ciudad [ 16 ]. Los
beneficios que se derivan de este servicio son múltiples: el
tiempo más rápido para localizar una plaza de aparcamiento
significa menos emisiones de CO desde el coche, la congestión
del tráfico menor, y los ciudadanos más felices. El servicio de
estacionamiento inteligente se puede integrar directamente en la
infraestructura de la IO urbano, debido a que muchas empresas
de Europa están proporcionando productos de mercado para
esta aplicación. Además, mediante el uso de tecnologías de
comunicación de corto alcance, como identificadores de
radiofrecuencia (RFID) o Near Field Communication (NFC), es
posible realizar un sistema de verificación electrónica de
permisos de estacionamiento en las ranuras reservadas para los
residentes o personas con discapacidad, lo que ofrece una mejor
servicio a los ciudadanos que legítimamente pueden utilizar
esas máquinas tragamonedas y una herramienta eficaz para
detectar rápidamente violaciónes.
Iluminación inteligente: Con el fin de apoyar la directiva 20-20-
20, la optimización de la eficiencia del alumbrado público es
una característica importante. En particular, este servicio puede
optimizar la intensidad de la lámpara de la calle de acuerdo con
la hora del día, las condiciones climáticas, y la presencia de
personas. Para funcionar correctamente, este servicio tiene que
incluir las luces de la calle en la infraestructura de Smart
City. También es posible explotar el aumento del número de
puntos conectados para proporcionar una conexión WiFi a los
ciudadanos. Además, un sistema de detección de fallo se realiza
fácilmente en la parte superior de los controladores de luz de la
calle.
Automatización y Salubridad de Edificios Públicos: Otra
aplicación importante de las tecnologías de la IO es el
monitoreo del consumo de energía y la salubridad del medio
ambiente en los edificios públicos (escuelas, oficinas de
administración, y los museos) por medio de diferentes tipos de
sensores y actuadores que controlan las luces , la temperatura y
la humedad. Mediante el control de estos parámetros, de hecho,
es posible mejorar el nivel de comodidad de las personas que
viven en estos ambientes, que también pueden tener una
rentabilidad positiva en términos de productividad, al tiempo
que reduce los costos de calefacción / refrigeración [ 17 ]
FP7 European project, SENSEI - Integrating the Physical with the Digital
World of the Network of the Future [Online]. Available: http://www.sensei- project.eu/. FP7 European project, Internet of Things Architecture (IoT-A) [Online].
30 IEEE INTERNET OF THINGS JOURNAL, VOL. 1, NO. 1, FEBRUARY 2014
Dispositivos de puerta de enlace facilitarán también la
interconexión ESTÁ el tween tecnologías sin restricciones de
capa de enlace, que se utiliza principalmente en el núcleo de la
red de la IO y tecnologías restringidas que, en cambio,
proporcionan conectividad entre los nodos periféricos de la IO.
3) la IO periféricos Nodos: Por último, en la periferia del
sistema de la IO, encontramos los dispositivos encargados de
producir los datos que se entregarán al centro de control, que
generalmente se llama la IO linfáticos periféricos o, más
simplemente, los nodos de la IO. Hablando en general, el coste
de estos dispositivos es muy baja, a partir de 10 USD o incluso
menos, dependiendo de la especie y el número de sensores /
actuadores montados en el tablero. Nodos IO pueden
clasificarse sobre la base de una amplia serie de características,
tales como el modo de accionar, la creación de redes papel (relé
o la hoja), Equipos de sensores / actuadores, y las tecnologías
de la capa de enlace soportados. Los nodos de la IO más
limitados probablemente las etiquetas de Radio Frecuencia
(RFtags) que, a pesar de sus capacidades muy limitadas, todavía
puede desempeñar un papel importante en los sistemas de la IO,
principalmente debido a la extremadamente bajo costo y la
naturaleza pasiva de su hardware de comunicación, que no
requiere ninguna fuente de energía interna. La aplicación típica
de RFtags es objeto de identificación por la lectura de
proximidad, que se puede utilizar para la logística,
mantenimiento, vigilancia y otros servicios.
Los dispositivos móviles, como teléfonos inteligentes, Tablet
PC o laptops, también pueden ser una parte importante de un
IoT urbana, proporcionando otras formas de interactuar con él.
Por ejemplo, el transceptor NFC integrado en los teléfonos
inteligentes de última generación se puede utilizar para
identificar objetos etiquetados, mientras que el servicio de geo
localización proporcionado por la mayoría de los sistemas
operativos comunes para los dispositivos móviles puede
enriquecer la información de contexto asociado a ese objeto.
Además, los dispositivos móviles pueden proporcionar acceso a
la IO de diferentes maneras, por ejemplo, 1) a través de una
conexión IP proporcionada por el servicio celular de datos de
enlace o 2) el establecimiento de una conexión directa con
algunos de los objetos mediante el uso de tecnologías
inalámbricas de corto alcance, tales como Bluetooth baja
energía, WiFi de baja potencia, o IEEE 802.15.4. Además, es
posible desarrollar aplicaciones específicas para dispositivos
móviles que pueden facilitar la interacción con los objetos de la
IO, y con el sistema en su conjunto.
IV. UN ESTUDIO EXPERIMENTAL: PADUA Smart City
El marco se discute en este trabajo ya se ha aplicado con éxito a
una serie de diferentes casos de uso en el contexto de sistemas
de IO. Por ejemplo, el banco de pruebas experimental
inalámbrica red de sensores, con más de 300 nodos, desplegado
en la Universidad de Padua [31], [32] se ha diseñado de
acuerdo con estas directrices, y utilizado con éxito para realizar
demostraciones de prueba de concepto de Smart rejilla [33] y el
cuidado de la salud [34] servicios.
En esta sección, se describe una implementación práctica de un
IoT urbana, llamada «Padova Smart City", que se ha realizado
en la ciudad de Padua; gracias a la colaboración entre las partes
públicas y privadas, como el municipio de Padua, que ha
patrocinado el proyecto, el Departamento de Información ing
de la Universidad de Padua, que ha proporcionado la base
teórica y el análisis de viabilidad del proyecto, y Patavina
Tecnologías , 9 un spin-off de la Universidad de Padua
especializada en el desarrollo de soluciones innovadoras de la
IO, que ha desarrollado los nodos de la IO y el software de
control.
El objetivo principal de Padua Smart City es promover la
pronta adopción de soluciones de datos y TIC abren por la
administración pública. La aplicación de destino consiste en un
sistema de recogida de datos ambientales y el control de la
iluminación de la vía pública por medio de nodos inalámbricos,
equipadas con diferentes tipos de sensores, colocados en los
postes de luz de la calle y conectados a Internet a través de una
unidad de puerta de enlace. Este sistema deberá permitir
recoger parámetros ambientales interesantes, como el nivel de
CO, temperatura del aire y la humedad, vibraciones, ruido, etc.,
mientras que proporciona un mecanismo simple pero preciso
para comprobar el funcionamiento correcto del sistema de
alumbrado público mediante la medición de la luz intensidad
en cada puesto. Aunque este sistema es una sencilla aplicación
del concepto IoT, todavía implica una serie de diferentes
dispositivos y tecnologías de la capa de enlace, siendo por lo
tanto representante de la mayoría de los problemas críticos que
deben ser atendidos en el diseño de un IoT urbano. Una visión
general de alto nivel de los tipos y funciones de los dispositivos
que intervienen en el sistema se da aquí en adelante.
Padova componentes ciudad inteligente: un boceto conceptual
del Padova Smart City arquitectura del sistema se da en la Fig.
3. En lo que sigue, se describen con más detalle los diferentes
componentes de hardware y software del sistema.
ZANELLA et al.: INTERNET OF THINGS FOR SMART CITIES 31
Fig. 3. La arquitectura del sistema de "Padova Smart City".
Luz de calle: Es la parte de la hoja del sistema en el que se
colocan los nodos de la IO. Cada farola se localiza
geográficamente en el mapa de la ciudad y se asocia
únicamente al nodo de la IO se le atribuye, por lo que los datos
de la IO se pueden mejorar con información de contexto. El
monitoreo de la operación correcta de las bombillas se realiza
a través de sensores del fotómetro que miden directamente la
intensidad de la luz emitida por las lámparas (o, en realidad,
por cualquier fuente cuya luz llega al sensor) a intervalos de
tiempo regulares oa petición. Los nodos de la IO inalámbricos
también están equipados con sensores de temperatura y
humedad, que proporcionan datos relativos a condiciones
climáticas, y un nodo también está equipado con un benceno ()
Sensor, que monitorea la calidad del aire. Los nodos de la IO
son accionados generalmente por baterías pequeñas, aunque la
conexión a una red de baja potencia es requerido por el sensor
de benceno. El embalaje de los nodos sensores se ha diseñado
teniendo en cuenta los requisitos especí fi cos de este caso de
uso. De hecho, los nodos sensores se han alojado en un escudo
de plástico transparente que protege los componentes
electrónicos de los fenómenos atmosféricos (como lluvia o
nieve), al tiempo que permite la circulación de aire y luz para
la medición correcta de la humedad, la temperatura y la
intensidad de luz .Obligado tecnologías de capa de enlace:
montados Los nodos IoT en los postes de alumbrado público
formar una nube multihop 6LoWPAN, usando IEEE 802.15.4
tecnología de capa de enlace restringida. Enrutamiento
funcionalidades se proporcionan por el Protocolo de
enrutamiento de IPv6 para la energía baja y con pérdidas
Networks (RPL) [35]. Los nodos de la IO se asignan
direcciones IPv6 únicas, adecuadamente comprimido de
acuerdo con la Norma 6LoWPAN. Cada nodo puede ser
accesible individualmente desde cualquier lugar del Internet
mediante IPv6 / 6LoWPAN. Nodos entregan colectivamente
sus datos a un nodo receptor, lo que representa el único punto
de contacto para los nodos externos. Alternativamente, cada
nodo puede publicar sus propias características y datos
mediante la ejecución de un servidor COAP, aunque esta
característica no está implementada aún en el banco de
pruebas. En cualquier caso, se requiere una puerta de entrada
para cerrar la nube 6LoWPAN a Internet y realizar toda la
transcodificación se describe en la sección anterior.
Gateway WSN: La puerta de enlace tiene el papel de interfaz
de la tecnología de capa de enlace constreñido usado en los
sensores de nube con tecnologías tradicionales WAN
utilizados para proporcionar conectividad a los servidores
centrales de backend. La puerta de entrada, por lo tanto juega
el papel de enrutador de frontera 6LoWPAN y nodo raíz RPL.
Además, dado que los nodos sensores no son compatibles con
los servicios COAP, la puerta de entrada también funciona
como nodo sumidero de la nube del sensor, la recopilación de
todos los datos que necesitan ser exportados a los servicios de
back-end. La conexión a los servicios de back-end es
proporcionada por las tecnologías de comunicación sin
restricciones comunes, fibra óptica en este ejemplo específico.
HTTP-COAP de proxy: El proxy HTTP-COAP permite tras
comunicación entre padres con dispositivos COAP. La lógica
de proxy se puede extender a mejores aplicaciones de
monitoreo de apoyo y limitar la cantidad de tráfico se inyecta
en la red periférica IoT. Por ejemplo, es posible especificar
una lista de recursos que deben controlarse, por lo que el
servidor puede actualizar de forma autónoma las entradas en
una memoria caché relacionada con esos dispositivos. Este
mecanismo puede ser apoyado por dos enfoques diferentes: 1)
por votación el recurso seleccionado de forma proactiva, lo
que permite la aplicación de técnicas para la conformación de
tráfico en el proxy o en el gateway y 2) mediante la
suscripción al recurso seleccionado con el "observar"
funcionalidad de coap, permitiendo así que el servidor en el
nodo para enviar las actualizaciones sólo cuando el valor
medido por el sensor cae fuera de un cierto rango. Este
servicio se cosituado en la puerta de enlace en el sistema de
centralita Padova Smart City, aunque también podría ser
colocado en los servidores de back-end, por lo que es posible
controlar varias puertas de enlace mediante el uso de una única
instancia de proxy.
32 IEEE INTERNET OF THINGS JOURNAL, VOL. 1, NO. 1, FEBRUARY 2014
Fig. 4. Ejemplo de los datos recogidos por Padova Smart City: (a) la temperatura y (b) la humedad
Fig. 5. Ejemplo de los datos recogidos por Padova Smart City: (a) la luz y (b) benceno.
Servidor de base de datos: el servidor de base de datos recoge el
estado de los recursos que deben controlarse en el tiempo
mediante la comunicación con el servidor proxy HTTP-COAP,
que a su vez se encarga de recuperar los datos necesarios de la
fuente correcta. Los datos almacenados en la base de datos son
accesibles a través de tecnologías de programación web
tradicionales. La información tampoco puede visualizar en
forma de un sitio web, o exportar en cualquier formato de datos
abierto utilizando lenguajes de programación web dinámica. En
la red de Padua Smart City, el servidor de base de datos se
realiza dentro de la WSN Gateway, que por lo tanto, representa
un módulo plug-and-play que proporciona una interfaz
transparente con los nodos periféricos.
Dispositivo móvil Operador: operadores de iluminación
Públicas estarán equipados con dispositivos móviles que
pueden localizar la farola que requiere intervención, tema
actuación manda directamente al nodo de la IO conectado a la
lámpara, y señalar el resultado de la intervención al sistema
central que puede realizar un seguimiento de todos los sola
farola y, por lo tanto, optimizar el plan de mantenimiento.
Este sistema se puede ampliar sucesivamente para incluir otros
tipos de nodos IoT o nubes de nodos de la IoT, siempre que
cada uno IoT sistema periférico soporta una interfaz basada en
HTTP, lo que hace posible interactuar con él en una abertura,
de normas, y de manera independiente de la tecnología.
A. Ejemplo de los datos recogidos por Padova Smart City
Figs. 4 y 5 informe de un ejemplo del tipo de datos que pueden
ser recogidos con el sistema de Padova Smart City. Los cuatro
gráficos muestran la temperatura, la humedad, la luz, y las
lecturas de benceno durante un periodo de 7 días. Las líneas
finas muestran las lecturas reales, mientras que las líneas
gruesas se obtienen mediante la aplicación de un filtro de media
móvil durante un intervalo de tiempo de 1 h (aproximadamente,
10 lecturas de temperatura, humedad y luz, y 120 lecturas del
sensor de benceno, cuya frecuencia de muestreo es más grande
desde el nodo es alimentado por la red). Es posible observar el
patrón regular de las mediciones de luz, correspondiente a los
períodos de día y de noche. En particular, durante el día, la
medida alcanza el valor de saturación, mientras que durante la
ZANELLA et al.: INTERNET OF THINGS FOR SMART CITIES 33
noche, los valores son más irregular, debido a las reflexiones re
producidos por las luces del vehículo. Un patrón similar se
exhibe por las mediciones de humedad y temperatura que, Sin
embargo, son mucho más ruidosos que los de la luz. Las
mediciones de benceno también revelan una disminución de los
niveles de benceno en la noche, como se esperaba debido a la
más ligera la noche tráfico, pero bastante sorprendentemente
No hay variaciones evidentes en los niveles de benceno durante
el día durante el fin de semana (octubre 26-27). También es
interesante observar el pico de benceno medido en la tarde del
29 de octubre Examen de las lecturas de los otros sensores en el
mismo intervalo de tiempo, podemos notar una fuerte
disminución de la intensidad de la luz y la temperatura, y un
aumento de la humedad.
V. CONCLUSIÓN
En este trabajo, se analizaron las soluciones actualmente
disponibles para la ejecución de IOT urbanas. Las tecnologías
tratadas son cerca de ser estandarizado, y los jugadores de la
industria ya están activos en la producción de dispositivos que
se aprovechan de estas tecnologías para permitir a las
aplicaciones de interés, tales como los descritos en la Sección
II. De hecho, mientras que la gama de opciones de diseño para
sistemas de IO es bastante amplio, el conjunto de protocolos
abiertos y estandarizados es significativamente menor. Las
tecnologías que permiten, además, han alcanzado un nivel de
madurez que permite la realización práctica de soluciones y
servicios de la IO, a partir de ensayos de campo que se espera
ayudar a despejar la incertidumbre que todavía impide que una
adopción masiva del paradigma de la IO. Un hormigón de
prueba de concepto de aplicación, desplegado en colaboración
con la ciudad de Padova, Italia, también ha sido descrito como
un ejemplo relevante de aplicación del paradigma de la IO a las
ciudades inteligentes.
RECONOCIMIENTO
Los autores desean agradecer a la Municipalidad de Padua
(Italia), y el Ing. Alberto Coro, en particular, por el apoyo en la
realización del proyecto "Padova Smart City". Los autores
también agradecen a los ingenieros de Patavina Tecnologías srl
(Http://patavinatech.com/) por su invaluable apoyo en el
despliegue ing el sistema y en el suministro de los datos
experimentales y documentación técnica sobre el proyecto
"Padova Smart City".
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Andrea Zanella (S’98–M’01–SM’13) recieved the Laurea degree in computer engineering and Ph.D. degree in electronic and telecommunications engi- neering from the University of Padova, Padova, Italy, in 1998 and 2000, respectively.
He was a Visiting Scholar with the Department of Computer Science, University of California, Los Angeles (UCLA), Los Angeles, CA, USA, in 2000. He is an Assistant Professor with the Depart- ment of Information Engineering (DEI), University of Padova. He is one of the coordinators of the
SIGnals and NETworking (SIGNET) research lab. His long-established research activities are in the fields of protocol design, optimization, and performance evaluation of wired and wireless networks.
Nicola Bui received the B.E. and M.E. degrees in telecommunication engineering from the University of Ferrara, Ferrara, Italy, in 2003 and 2005, respec- tively, and is currently working toward the Ph.D. degree from the University Carlos III de Madrid, Madrid, Spain.
Currently, he is a Research Engineer with IMDEA Networks, Madrid, Spain. Until May 2013, he served as General Manager of Patavina Technologies, Venezia, Italy, operating in ICT field design and systems development for the Internet of Things (IoT).
Also, he had been a Research Fellow with the Consorzio Ferrara Ricerche, Ferrara, Italy and with the Department of Information Engineering, University of Padova, Padova, Italy for 5 years. During this period, he was involved in many European- and Italian-funded projects, including: Ambient Networks, IoT-Ar- chitecture, SWAP, dealing with sensor networks, and the Internet of Things. Currently, he is working in the eCOUSIN project, focused on content distribution network optimization.
Lorenzo Vangelista (S’93–M’97–SM’02) received the Laurea and Ph.D. degrees in electrical and tele- communication engineering from the University of Padova, Padova, Italy, in 1992 and 1995, respectively.
He subsequently joined the Transmission and Optical Technology Department, CSELT, Torino, Italy. From December 1996 to January 2002, he was with Telit Mobile Terminals, Trieste, Italy, and then, until May 2003, was with Microcell A/S, Copenaghen, Denmark. In July 2006, he joined the Worldwide Organization Of Infineon Technologies as
Program Manager. Since October 2006, he has been an Associate Professor of Telecommunication with the Department of Information Engineering, Padova University. His research interests include signal theory, multicarrier modulation techniques, cellular networks, wireless sensors and actuators networks, and smartgrid.
Michele Zorzi (S’89–M’95–SM’98–F’07) received the Laurea and Ph.D. degrees in electrical engineering from the University of Padova, Padova, Italy, in 1990 and 1994, respectively.
During academic year 1992–1993, he was on leave at the University of California at San Diego (UCSD). In 1993, he joined the Faculty of the Dipartimento di Elettronica e Informazione, Politecnico di Milano, Milano, Italy. After spending 3 years with the Center for Wireless Communications at University of California, San Diego, La Jolla, CA, USA, in 1998,
he joined the School of Engineering of the University of Ferrara, Ferrara, Italy, where he became a Professor in 2000. Since November 2003, he has been on the faculty of the Information Engineering Department at the University of Padova. His present research interests include performance evaluation in mobile communications systems, WSN and Internet of Things, and underwater communications.
Dr. Zorzi was an Editor-In-Chief of IEEE TRANSACTIONS ON WIRELESS COM-
MUNICATIONS from 2003 to 2005 and of IEEE TRANSACTIONS ON COMMUNICATIONS
from 2008 to 2011. He served as a Member-at-Large of the Board of Governors of the IEEE Communications Society from 2009 to 2011, and is currently its Director of Education.
Angelo P. Castellani recieved the B.E. and M.E. degrees and summa cum laude from the University of Rome “Sapienza”, Rome, Italy in 2004 and 2006, respectively, and the Ph.D. degree in information engineering from the University of Padova, Paduva, Italy, in 2012.
He is currently working in the R&D department of TeSAN, Vicenza, Italy, an e-Health Italian company. His research interests are in the fields of sensor net- works and the Internet of Things (IoT), including protocol design, and experimentation. He has been
active in standardization work within the IETF and involved in the EU-funded IoT-Architecture project, both activities were centered around IoT networking research.