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Smart Waste Management

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The document contains a feasibility study of an intelligent waste management system curated by Alessio Sechi, a student passionate about problem solving.

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Smart Waste Management

  1. 1. 1 Smart Waste Management a cura di Alessio Sechi L’applicazione di un sistema di gestione intelligente dei rifiuti pone fine a molteplici problemi concernenti le congestioni dovute al passaggio dei veicoli preposti per lo svuotamento dei cassonetti. Seguentemente viene descritto uno studio di fattibilità del progetto. Studio di fattibilità I cassonetti, dotati di rilevatori antincendio e sensori di misura di grandezze come il volume del materiale raccolto, il peso dello stesso materiale, l’umidità e la temperatura interne, inviano le informazioni interessanti le misurazioni registrate a un centro di coordinamento che li elabora e li inoltra per consentire una gestione efficiente delle corse dei camion alla centrale di smistamento dei rifiuti. Gli utenti aderenti all’iniziativa vengono abilitati al conferimento attraverso un badge dotato di un tag RFID (univoco). L’utente che intende conferire i rifiuti, dovrà, dopo aver effettuato l’identificazione, scaricare personalmente il materiale negli appositi contenitori e, qualora si presentasse con diverse tipologie di rifiuti, dovrà provvedere alla loro accurata separazione. Gli operatori della centrale gestiscono le corse dei camion per lo svuotamento dei cassonetti, in tal modo si favorisce un’ottimizzazione dei costi e una automatizzazione del processo di raccolta e smistamento dei rifiuti. Tra le possibili scelte si ritiene adatto l’autosostentamento energetico (alimentazione a energia solare). Risulta opportuno dotare i cassonetti di un sistema di erogazione di scontrini, contenenti l’indicazione del contributo ambientale in termini di riduzione delle immissioni di CO2, utilizzabili per beneficiare di sconti sulla tassa dei rifiuti oppure presso esercizi commerciali, in maniera tale da incentivare gli utenti a conferire i rifiuti attraverso questo sistema. Nei cassonetti è possibile integrare un sistema comprendente un software capace di realizzare una elaborazione 3D dello stato del cassonetto (attraverso l’intelligenza artificiale), affinché si verifichi l’accuratezza dei sensori, poiché la distribuzione in modo non uniforme dei rifiuti all’interno dei cassonetti potrebbe portare a margini di errori e di conseguenza a misurazioni non attendibili e poco sicure. Infrastruttura di comunicazione La rete deve essere sviluppata prendendo in considerazione i seguenti aspetti: l’affidabilità, la semplicità realizzativa e di utilizzo, il contenimento dei costi, la flessibilità, il rispetto degli standard normativi, l’interoperabilità, la velocità, la gestione dei dati, lo spazio a disposizione per l’installazione dei dispositivi di rete, la scalabilità, l’accesso dall’esterno e la portabilità. Esistono differenti scenari di implementazione dell’infrastruttura di comunicazione, di seguito elencati. o I dati possono essere registrati su una memoria di massa removibile integrata al cassonetto, per poi essere trasferiti in sede centrale al rientro dell’operatore che ha svuotato il cassonetto. o La trasmissione delle informazioni può avvenire utilizzando moduli GPRS (General Packet Radio Service) integrati nei cassonetti, con una comunicazione remota sul server centrale, tramite protocollo TCP o UDP. GPRS è una delle tecnologie di telefonia mobile cellulare e si basa su un’infrastruttura che garantisce il collegamento con le antenne radio, permettendo il trasferimento dei dati attraverso un sistema di commutazione di pacchetto. o Installazione di una rete LPWAN (Low Powered Wide Area Network) caratterizzata da un lungo raggio d’azione e ottimizzata per il consumo energetico con costi di infrastruttura ridotti. o La comunicazione può avvenire, dotando i cassonetti di schede SIM, in modo tale che gli stessi siano in grado di agganciarsi alle torri cellulari presenti nella città attraverso la sincronizzazione alla cella di appartenenza temporalmente con il time-slot dedicato all’interno della banda della cella con una connessione LTE.
  2. 2. 2 Valutando attentamente le differenti ipotesi di infrastruttura, si ritiene assolutamente inadatto il primo scenario, in quanto tale soluzione non rispecchia l’automazione del sistema. Si esclude la rete GPRS a causa della velocità di connessione eccessivamente lenta (la velocità massima di trasferimento dati di tale tecnologia è 144 kB/s in download e 57 kB/s in upload). La terza ipotesi risulta accettabile, ciò nonostante, presenta una limitazione fisica in termini di dimensione dei dati: può inviare pochi byte al giorno e pochi bit al secondo; pertanto, in condizioni di quantità elevate di dati, si creerebbero problemi. Risulta efficiente ai fini dell’ottimizzazione dei costi, adottare il quarto scenario proposto. Tale scenario garantisce un risparmio notevole, in quanto l’applicazione dello stesso favorisce l’utilizzo delle torri cellulari già presenti nella città per il normale collegamento a Internet. L’unico fattore limitante di tale sistema è la presenza di interferenza tra celle adiacenti. Scelta dei protocolli di rete Le informazioni vengono scambiate attraverso il Web, è indispensabile l’utilizzo del protocollo HTTPS over SSL/TLS (HyperText Transfer Protocol over Secure Sockets Layer/Transport Layer Security). HTTPS crea un canale cifrato con tecnica crittografica simmetrica DES attraverso la porta 443, segnalando al browser la necessità di utilizzare il livello di cifratura aggiuntivo SSL/TLS per proteggere il traffico Internet e per autenticare il client utilizzando la crittografia asimmetrica (RSA). La struttura della rete a livello fisico è definita attraverso una topologia a stella estesa, difatti le cell tower, a cui sono collegati i dispositivi mobili, fanno capo ad un unico centro stella. Questo modo di collegamento dei nodi offre vantaggi notevoli in termini di fault-tolerance (tolleranza ai guasti), flessibilità, espandibilità e semplicità di gestione. Il modo di comunicazione dei dispositivi circoscrive la topologia logica broadcast, non ci sono regole sull’ordine da seguire per usare la rete. Autenticazione e accesso ai dati Il sistema di accesso ai dati è realizzabile come applicazione web, in modo da poter implementare una gestione dei dati in modo integrato tramite DBMS. Realizzare un'applicazione Web si traduce nel mettere su di un server Web delle pagine fruibili da un browser. L’architettura di riferimento più economica, solida, che risponde al meglio agli standard di mercato ed al limitato numero di utenti da gestire, è quella disegnata nella figura che segue: APACHE, linguaggio PHP e database MySQL. Segue la descrizione di un modello in scala fisico di un cassonetto intelligente, realizzato allo scopo di valutarne meglio le caratteristiche funzionali.
  3. 3. 3 Principio di funzionamento del cassonetto intelligente L’utente che intende utilizzare il cassonetto effettua l’autenticazione avvicinando la smartcard (o il badge di prossimità) al modulo RFID, quest’ultimo legge l’identificativo del tag attraverso un segnale radio e trasmette il segnale al PC. Se il numero identificativo del tag è abilitato all’accesso, compare sullo schermo del PC un messaggio di accesso autorizzato. Successivamente l’utente si accinge a conferire i rifiuti nel cassonetto posizionandosi davanti a quest’ultimo. Una volta davanti, a una distanza pari o inferiore a 50 cm, il sensore di movimento posto davanti al cassonetto, emette una serie di impulsi ad ultrasuoni che sono propagati nell’ambiente circostante, se incontrano un ostacolo, tornano indietro verso il sensore che li ha emessi. Misurando il tempo che intercorre tra l’emissione del segnale sonoro e il suo ritorno, viene calcolata la distanza dell’ostacolo sul quale è rimbalzato il segnale. Se la distanza è pari o minore a 50 cm, il servomotore si aziona ed esegue una rotazione di 90 gradi in senso orario, in tal modo il cassonetto si apre e l’utente può effettuare il conferimento. Il cassonetto non ha un tempo limite in cui rimane aperto, bensì rimane aperto finché l’utente non ha terminato l’operazione di inserimento dei rifiuti all’interno del cassonetto e quindi il sensore non rileva movimenti nell’intervallo 0-50 cm. L’immagine seguente illustra il modello di forma del cassonetto intelligente appena descritto.
  4. 4. 4 Gli elementi hardware utilizzati per la realizzazione del circuito sono elencati di seguito. o Scheda Arduino Uno. o Cavo USB. o Sensore ad ultrasuoni HC-SR04. o Modulo RFID-RC522. o Buzzer. o Led rosso. o Led verde. o Servomotore microservo sg90. o Cavi jumper da maschio a maschio. Applicazione per smartphone Esiste la possibilità di integrare al sistema di gestione dei rifiuti descritto un’applicazione per smartphone che consente all’utente registrato, che ha effettuato l’accesso tramite username e password, di visualizzare le isole ecologiche vicine alla posizione in cui si trova. I dati inseriti durante il processo di registrazione dell’utente vengono registrati nel database (la password viene crittografata in modo che non sia visualizzabile da chi ha accesso al database). Attraverso la chiamata agli script che consentono la connessione al database, vengono verificati i dati inseriti nel form di login, e se quest’ultimi sono presenti nel database, viene effettuata l’autenticazione. In caso contrario, viene visualizzato il relativo messaggio di accesso non autorizzato. La mappa, circoscrivente la disposizione delle varie isole ecologiche adiacenti alla posizione dell’utente, utilizza le API (Application Programming Interface) di Google Maps che adoperano Javascript come linguaggio predefinito. Nella mappa sono collocati dei marker, uno di default rappresentante la posizione attuale dell’utente e vari personalizzati con l’immagine di cassonetti rappresentanti le diverse isole smart.

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