Appunti di Industrial and medical internet of things

Industrial And Medical Internet of

Things

2022-2023

Indice

I INDUSTRIAL INTERNET OF THINGS 1

1 INTRODUZIONE 2

1.1 Industrial Internet of Things . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.1.1 Settori industriali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.1.2 Rivoluzioni industriali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.2 Tecnologie abilitanti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.2.1 RAMI 4.0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.2.2 ITU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.2.3 IIRA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.2.4 Vantaggi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.2.5 PHM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

1.2.6 Cybersecurity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2 SENSORI E ATTUATORI 19

2.1 Sensori industriali complessi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.2 Smart Sensors & IIoT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.2.1 Embedded System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3 FIELDBUS 28

3.1 Modello ISO/OSI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.1.1 Modbus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3.1.2 EtherNet/IP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.1.3 CAN Bus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3.1.4 DeviceNet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.1.5 Profibus e Profinet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

4 INDUSTRIAL WIRELESS SENSOR NETWORK 43

4.1 WirelessHART . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

4.2 ISA 100.11a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

5 6TiSCH 57

5.1 TSCH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

5.2 6TiSCH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

5.2.1 Architettura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

5.3 6LoWPAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

5.3.1 Indirizzamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

5.3.2 Adaptation Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

i

INDICE ii

6 APPLICATION LAYER 75

6.1 OPC-UA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

6.2 MQTT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

7 SAFETY & SECURITY 80

7.1 Direttiva NIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

7.2 Cybersecurity Act . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

7.3 IEC 62443 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

7.4 NIST . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

7.5 Analisi dei rischi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

7.6 Security Design per sistemi SCADA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

7.7 Sicurezza Smart Grid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

7.8 Protecting Industrial Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

II INTERNET OF MEDICAL THINGS 89

8 INTRODUZIONE 90

9 SENSORI E ATTUATORI 102

10 ARCHITETTURE E STANDARD 113

10.1 Architetture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

10.1.1 Architettura intra-BAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

10.1.2 Architettura inter-BAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

10.1.3 Architettura beyond-BAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

10.2 Standard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

10.2.1 IEEE 802.15.4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

10.2.2 IEEE 802.15.6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

10.2.3 Bluetooth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

10.2.4 SmartBAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

11 PROPRIETÀ ELETTROMAGNETICHE DEL CORPO UMANO 137

11.1 Phantom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

11.2 Canali radio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

11.2.1 IEEE 802.15.3a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

11.2.2 IEEE 802.15.6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

12 DATA ANALYSIS 149

12.1 Intelligenza Artificiale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

13 SECURITY & PRIVACY 153

Parte I

INDUSTRIAL INTERNET OF

THINGS

1

Capitolo 1

INTRODUZIONE

of Things

L’Internet (IoT) rappresenta una rete di oggetti fisici (“things”), che di-

spongono di una tecnologia necessaria per rilevare e trasmettere, attraverso Internet,

informazioni sul proprio stato o sull’ambiente esterno. L’IoT può essere visto come un

ecosistema che include oggetti, sensori e apparati necessari a garantire la comunicazio-

ne e può trovare applicabilità in vari campi. Quindi, possiamo vedere l’IoT come una

rete costituita da oggetti (che possiedono componenti elettroniche e software) connessi

all’interno dell’infrastruttura Internet per collezionare e scambiare dati.

Gli oggetti appartenenti all’ecosistema IoT devono possedere un’identificazione univo-

ca (per essere riconosciuti all’interno della rete), un sistema di accesso (per controllare

l’oggetto da remoto) e la capacità di interagire con l’ambiente circostante (per campio-

narlo e modificarlo). L’oggetto può possedere un’intelligenza o meno, dove nel caso in

smart object.

cui possieda un’intelligenza prende il nome di

L’innovazione dell’IoT consiste nel permettere un’interazione non più soltanto tra per-

sone (interazione People-to-People), ma tra persone ed oggetti (interazione People-to-

Machine) e tra oggetti ed oggetti (interazione Machine-to-Machine).

Internet of Things

L’Industrial (IIoT) limita gli oggetti allo scenario industriale. Il

termine IIoT è stato coniato nel 2014, introdotto dalla General Electric (GE) con il no-

Industrial Internet

me di e supportato dal consorzio Industrial Internet Consortium

(IIC), di cui fanno parte Cisco, IBM, GE, Intel ed AT&T.

4.0

L’Industry fa particolare riferimento allo scenario industriale del manufacturing

(ovvero della produzione), che è un sottoinsieme dell’IIoT. Il termine Industry 4.0 è

stato coniato nel dal governo tedesco ed è rivolto alla computerizzazione della pro-

2011

duzione. Quindi, il termine Industry 4.0 si riferisce all’interconnessione di oggetti in

ambito industriale.

N.B: IIoT e Industry 4.0 sono due termini utilizzati spesso in modo intercambiabile.

2

CAPITOLO 1. INTRODUZIONE 3

Le nuove tecnologie permettono la fusione tra il mondo fisico e quello digitale, dando

cyber-physical

vita ai cosiddetti sistemi (CPS) applicati alla produzione e alla logi-

stica. Tali tecnologie permettono alle macchine di essere interconnesse per comunicare

tra loro ed ottimizzare i processi.

Il termine Industrial Internet of Things (IIoT) fa riferimento all’applicazione dell’IoT

nei processi industriali. Quindi, l’IoT è stato adottato nell’industria con l’obiettivo di

aumentarne la flessibilità e la produttività, riducendo i costi di produzione.

L’Industry 4.0 nasce in Germania come applicazione della tecnologia IoT nel settore

manifatturiero (ovvero si specifica nell’applicazione dell’IIoT in campo manifatturiero).

In questo modo possiamo aumentare la qualità della produzione ed abbassarne i costi.

Smart Manufacturing

L’obiettivo dell’Industry 4.0 sarà la (ovvero si concentra sul

processo produttivo), perciò le fabbriche intelligenti sono mirate ad automatizzare in

modo efficiente le fasi della produzione.

L’Industrial Internet (predecessore dell’IIoT) prevede la comunicazione tra dispositivi

industriali (ad esempio attraverso IPv6 per LAN e WAN) per instaurare un’interazione

Machine-to-Machine. In questo modo è possibile acquisire dati per consentirne l’analisi

ed elaborare azioni di controllo e di gestione.

N.B: normalmente, in ambito industriale, la connessione tra gli oggetti è di tipo cabla-

to (e non wireless).

Factories of Future

Le (FoF) sono suddivise in tre tipi:

Smart Factories. Smart Factory

• Il concetto di incarna gli obiettivi dell’In-

dustry 4.0. In particolare, una Smart Factory si basa sulla gerarchia dei sistemi

cyber-physical, interconnessi per raggiungere un elevato grado di automazione,

mirando alla flessibilità, all’efficienza, all’autonomia, alla resilienza, alla sicurezza

ed al basso costo. Le Smart Factories sono dotate di IA per effettuare predizioni

ed eseguire processi in modo intelligente. Quindi, le macchine intelligenti saranno

interconnesse per creare impianti intelligenti, che, a loro volta, saranno combi-

nati per istituire fabbriche intelligenti, dando vita ad una connessione gerarchica

multilivello.

Connected Factories.

• Tale concetto prevede che i device (ovvero dispositivi co-

stituiti da sensori, attuatori, controllori, display, computer, ecc...) siano connessi

tra di loro e con il Business Decision Making. Le Connected Factories possono in-

tegrare applicazioni, dati e processi, sia in locale che in Cloud. I sensori possono

fornire dati utili sullo stato delle apparecchiature a cui sono connessi (in questo

modo possiamo monitorare i macchinari da remoto sulla base dei dati provenienti

dai sensori).

Virtual Factories.

• Questo concetto rappresenta una forma più estesa in cui vie-

ne realizzata una modellizzazione 3D dell’intero impianto. In questo modo è pos-

sibile accedere a tutti i processi in tempo reale da remoto (ad esempio, un impie-

gato può vedere il corretto svolgimento di un processo svolto da una macchina

direttamente da un tablet, che mostra la rappresentazione 3D della macchina).

Possiamo così gestire le componenti in modo virtuale (ad esempio, possiamo si-

mulare cosa accade quando viene effettuata una determinata azione, prima che

questa venga realmente eseguita).

CAPITOLO 1. INTRODUZIONE 4

1.1 Industrial Internet of Things

1.1.1 Settori industriali

L’industria è ampiamente classificata in tre settori, sui quali possiamo applicare l’IoT:

• Settore primario, relativo allo sfruttamento delle materie prime basilari per la

vita degli essere umani (come l’estrazione mineraria).

• Settore secondario, relativo alla produzione (come le aziende automobilistiche).

• Settore terziario, relativo ai servizi (come i trasporti).

In ambito minerario (o mining), l’uso di sensori e tecnologie aiuteranno a migliorare

la produttività, evitando costi e sprechi inutili. Ridurranno rischi relativi ai possibi-

li guasti delle macchine, ma soprattutto ridurranno rischi per l’uomo dovuti a frane,

emissioni di gas pericolosi e reazioni chimiche. Quindi, l’uso di reti di sensori per rac-

cogliere i dati e informare il personale in anticipo può essere molto utile. Un esem-

pio di modernizzazione dell’industria mineraria utilizzando gli standard di IIoT può

essere l’implementazione di un sistema autonomo di scavo, che impiega veicoli senza

conducente.

In ambito energetico potremmo realizzare una nuova rete elettrica che comprende ri-

sorse energetiche rinnovabili, contatori intelligenti ed elettrodomestici intelligenti. In

questo modo possiamo stabilire una comunicazione bidirezionale tra i fornitori del ser-

vizio energetico ed i contatori intelligenti per aggiornare in tempo reale il consumo di

energia elettrica ed evitare interruzioni di corrente impreviste (le industrie affrontano

pesanti perdite dovute a interruzioni di corrente non programmate). Notiamo che lo

scambio dei dati per le Smart Industries sarà più pesante rispetto allo scambio dei dati

per le Smart Home.

Nell’ambito dei trasporti possono essere realizzati sistemi di trasporto intelligenti (det-

to ITS), abilitati da unità (dette RSU) distribuite in strada (ad esempio posizionate

sui semafori) e dotate di Fog Computing. In questo modo possiamo trasmettere infor-

mazioni ai veicoli relative all’ambito dei trasporti (ad esempio notificare un veicolo sul

traffico in modo che possa essere evitato, oppure implementare parcheggi intelligenti).

Quindi, un veicolo sarà informato quando passerà sotto un RSU.

Nell’ambito agricolo possono essere implementate reti di sensori per monitorare le con-

dizioni. Ad esempio possiamo utilizzare droni (assistiti dal Fog Computing) per la semi-

na, per il monitoraggio delle colture e per l’irrorazione.

In ambito pubblicitario è possibile implementare un sistema di pubblicità intelligente

per seguire gli interessi del cliente, valutando il tipo di prodotti che il cliente acquista.

Ad esempio, in un centro commerciale possiamo analizzare l’acquisto effettuato da un

cliente per suggerirgli ulteriori acquisti.

1.1.2 Rivoluzioni industriali

Nella storia umana abbiamo visto manifestarsi quattro rivoluzioni industriali:

1) La prima rivoluzione industriale inizia in Gran Bretagna (1780-1830) e riguar-

da l’introduzione del vapore come fonte energetica termica per generare energia

CAPITOLO 1. INTRODUZIONE 5

meccanica. In questo modo le industrie sostituirono le operazioni manuali in at-

tività svolte da macchine (azionate con il vapore). Questa rivoluzione riguardò

principalmente gli ambiti tessili (che vide l’invenzione del primo telaio a vapore)

e minerari. Inoltre si vide nascere l’industria chimica per la produzione di acido

solforico e cemento.

2) La seconda rivoluzione industriale (1870-1914) riguarda l’introduzione dell’elettri-

cità in ambito industriale che portò alla produzione di massa (attraverso le catene

di montaggio). Nascono i motori elettrici che sostituiscono i precedenti motori a

vapore. Si vedono nascere anche i primi veicoli.

3) La terza rivoluzione (1970-2000) riguarda l’introduzione di componenti elettronici

e informatici per l’automazione e la digitalizzazione delle macchine che sostitui-

scono il personale. Questo è stato possibile grazie all’invenzione dei transistor, dei

semiconduttori, dei PLC (Programmable Logic Controller) e dei PC (Personal

Computer). Nasce il settore nucleare e si sviluppa il settore dell’aviazione per uso

commerciale.

4) La quarta rivoluzione industriale (iniziata nel 2010 ed ancora in fase di sviluppo)

riguarda l’integrazione di nuove tecnologie produttive per migliorare le condizioni

di lavoro ed aumentare la produttività e la qualità degli impianti. Si prevede l’u-

tilizzo di macchine intelligenti, interconnesse e collegate ad Internet per generare

ed analizzare grandi quantità di dati eterogenei eD in grado di adattarsi in tempo

reale.

Quindi, il termine Industry 4.0 fa riferimento alla quarta rivoluzione industriale.

Smart Manufacturing

L’espressione esprime una visione del futuro secondo cui le

imprese industriali e manifatturiere, grazie alle tecnologie digitali, aumenteranno la

propria competitività grazie alla maggiore interconnessione delle proprie risorse (ovvero

impianti, persone, informazioni, ecc...).

Factories of Future

Nasce il concetto delle (FoF) in cui viene adottato l’IoT nell’in-

dustria con lo scopo di incrementare la flessibilità e la produttività, diminuendo i costi

di produzione.

I concetti principali dell’Industry 4.0 sono:

Interconnessione,

• ovvero la capacità dei componenti (come macchinari, robot,

sensori, attuatori, ecc...) e degli operatori di comunicare informazioni attraverso

reti di scambio dati (come Intranet, Internet, ecc...).

CAPITOLO 1. INTRODUZIONE 6

Virtualizzazione,

• cioè la modellazione 3D di un sistema (o dei componenti) che

permette di prevederne l’evoluzione mediante simulazioni.

Decentralizzazione,

• ovvero la correzione automatica o assistita delle complica-

zioni del processo produttivo.

Capacità Real-Time,

• ovvero l’analisi in tempo reale dei dati per intraprendere

le relative azioni.

Modularità,

• cioè la possibilità di adattare l’evoluzione del prodotto alla tipolo-

gia della domanda.

Sostenibilità,

• ovvero la sicurezza del posto di lavoro, la tutela dell’ambiente e

l’ottimizzazione dell’uso delle risorse energetiche e non energetiche.

I benefici previsti dell’Industry 4.0 sono:

• Maggiore attraverso la produzione di piccoli lotti ai costi della grande

flessibilità

scala (ovvero abbattimento dei costi).

• Maggiore di fabbricazione, dal prototipo alla produzione in serie, attra-

velocità

verso tecnologie innovative.

• Maggiore attraverso minori tempi di set-up, riduzione di errori e di

produttività

guasti alla macchina.

• Migliore del prodotto, con minori scarti mediante sensori che monitorano

qualità

la produzione in tempo reale.

• Maggiore del prodotto grazie alle maggiori funzionalità derivanti

competitività

dall’IoT.

L’Industry 4.0 impatta significativamente sui e sui

processi produttivi business models.

1.2 Tecnologie abilitanti

Analizziamo le tecnologie che caratterizzano l’IIoT:

of Things

• L’Internet (IoT) si riferisce agli oggetti (cioè dispositivi, sensori,

ecc...) connessi ad Internet. La connettività avanzata dei sistemi, dei servizi e de-

gli oggetti fisici, consente la comunicazione da oggetto a oggetto e la condivisione

dei dati. of Service

L’Internet (IoS) permette di offrire servizi tramite Internet, sulla