Svulippo di un sistema IOT per misure telemetriche unito ad un drone con volo autonomo

In this thesis we want to develop a coordinated system that exploits the potential of devices belonging to the Internet of Things (IoT) paradigm and the versatility of a Remotely Piloted Aircraft (APR), more commonly called drone. In this case, the ultimate purpose of this is to develop a telemetry system to carry out automatic and real-time measurements using the support of a drone. In particular, in the context of our work, we have chosen to use a sensor that measures temperature and relative humidity, in such a way as to operate with quantities that are easily manipulated experimentally in a controlled environment, such as that of a laboratory. The adaptability of this work also allows the use of other types of sensors in order to carry out measurements even different from those proposed, in relation to the measurement sensor that is used. As for the drone, the choice fell forcibly on the Parrot AR Drone 2.0 drone, because it is the only one available in the laboratory. More recent technology drones would obviously allow further implementations, increasing the degree of interoperability of the entire project. In any case, the telemetry system we implemented is not strictly linked to the type of drone we use for the flight, and therefore could easily be mounted on any more modern drone. The level of automation of the UAVs has undergone strong developments thanks to the use of GPS in outdoor environments, which makes the degree of autonomy with respect to the pilot particularly high. However, in this thesis, the autonomous flight programs of the drone previously implemented on the node.js platform and transferred to the APR with a special Wi-Fi network were used, which allow it to take off, follow a flight plan and land in completely autonomous even in indoor environments, where the use of GPS is severely limited. A system of this type can be used in place of a fixed network of sensors: in fact it is possible to replace a wired and static sensor network with a single moving transducer, capable of measuring temperature and humidity (or, in general, physical quantities desired) at any point. From this solution derive significant advantages such as lower cost and versatility. Let's think for example of a room in which temperature and relative humidity must be measured in some points of interest. When using a sensor network, dedicated installation work is required; if then the arrangement of the objects of interest (near which the measurements are made) inside the room were to be modified for any reason, it would also be necessary to modify the sensor network, thus incurring higher costs in terms of money and time, which would not be possible using a single sensor moving through the drone. In this last case it would be enough to modify the drone flight program. The core of the work concerns the elaboration of the IoT system in order to obtain real-time measurements of temperature and humidity that are easily usable through a graphic panel that instantly updates the values, reports their trend over time and provides the user the ability to receive notifications on your mobile device when abnormal values ​​are measured. The telemetry structure implemented was developed according to criteria of lightness, low cost and high versatility in terms of hardware and software. The lightness of the hardware components used is necessary in order not to weigh down the drone and therefore not to modify its aerodynamics and increase its consumption. The low cost and versatility allow to widen the field of use and to guarantee its modularity and application in various fields. In the following chapters, IoT systems will therefore be introduced, going into detail about the main technologies and the state of the art. Next, a categorization of currently available drones will be presented, explaining their essential components and flight fundamentals. We will then move on to the detailed description and the optimization path of the hardware and software architecture of the telemetry system implemented, entering into the details of the ThingsBoard platform and the MQTT protocol used. In the final part of the thesis we will present the experimental tests that we have made by varying the values ​​of the measured quantities and detecting these variations in the designed graphic panel. As for the autonomous flight mode of the drone, we have written specific programs that fly the drone from a predetermined starting position to the various points of interest, where measurements can be made. We will also present some practical applications, which we hypothesized for this system. Obviously, this will not be a complete and exhaustive presentation of all the possible applications of this method, but simply a few examples, linked to the particular telemetry instrument implemented (relating to temperature and humidity measurements). Finally, in the conclusions, ideas will be given for further developments of the system developed.

In questa tesi si vuole sviluppare un sistema coordinato che sfrutti le potenzialità dei dispositivi appartenenti al paradigma Internet of Things (IoT) e la versatilità di un Aeromobile a Pilotaggio Remoto (APR), più comunemente chiamato drone. Nella fattispecie, lo scopo ultimo della presente è quello di elaborare un sistema telemetrico per effettuare misurazioni automatiche e real-time mediante il supporto di un drone. In particolare, nell'ambito del nostro lavoro, si è scelto di utilizzare un sensore che misuri temperatura e umidità relativa, in modo tale da operare con grandezze che siano facilmente manipolabili sperimentalmente in ambiente controllato, quale può essere quello di un laboratorio. L'adattabilità di questo lavoro consente anche l'utilizzo di sensori di altro tipo in modo da effettuare misure anche diverse da quelle proposte, in relazione al sensore di misura che viene utilizzato. Per quel che concerne il drone, la scelta è ricaduta forzatamente sul drone Parrot AR Drone 2.0, perché l'unico disponibile in laboratorio. Droni di più recente tecnologia consentirebbero ovviamente ulteriori implementazioni, aumentando il grado di interoperabilità dell'intero progetto. In ogni caso, il sistema telemetrico da noi implementato non è legato strettamente al tipo di drone da noi utilizzato per il volo, e pertanto potrebbe essere facilmente montato su un qualsivoglia drone più moderno. Il livello di automazione degli APR ha subìto forti sviluppi grazie all'utilizzo in ambienti outdoor del GPS, che ne rende particolarmente elevato il grado di autonomia rispetto al pilota. Tuttavia, in questa tesi, si sono utilizzati i programmi di volo autonomo del drone precedentemente implementati su piattaforma node.js e trasferiti all'APR con apposita rete Wi-Fi, che consentono allo stesso di decollare, seguire un piano di volo ed atterrare in modo completamente autonomo anche in ambienti indoor, dove l'utilizzo del GPS è fortemente limitato. Un sistema di questo tipo può essere utilizzato al posto di una rete fissa di sensori: infatti è possibile sostituire una rete sensoristica cablata e statica con un unico trasduttore in movimento, in grado di misurare temperatura ed umidità (o, in generale, le grandezze fisiche desiderate) in qualsiasi punto. Da questa soluzione derivano vantaggi notevoli quali il minor costo e la versatilità. Pensiamo ad esempio ad un locale nel quale bisogna misurare temperatura ed umidità relativa in alcuni punti di interesse. Quando si utilizza una rete di sensori, è necessario un lavoro di installazione dedicato; se poi la disposizione degli oggetti di interesse (vicino ai quali si effettuano le misure) all'interno del locale dovesse essere modificata per qualsiasi ragione, sarebbe necessaria anche la modifica della rete di sensori, incorrendo perciò in maggiori costi in termini di denaro e di tempo, che non si avrebbero utilizzando un unico sensore in movimento tramite il drone. In questo ultimo caso basterebbe modificare il programma di volo del drone. Il nucleo centrale del lavoro riguarda l'elaborazione del sistema IoT al fine di ottenere delle misurazioni real time di temperatura ed umidità che siano facilmente fruibili tramite un pannello grafico che aggiorni istantaneamente i valori, ne riporti l'andamento nel tempo e fornisca all'utente la possibilità di ricevere notifiche sul proprio dispositivo mobile quando vengono misurati valori anomali. La struttura telemetrica implementata è stata elaborata secondo criteri di leggerezza, basso costo ed elevata versatilità in termini hardware e software. La leggerezza dei componenti hardware utilizzati è necessaria per non appesantire il drone e dunque per non modificarne l'aerodinamicità ed aumentarne i consumi. Il basso costo e la versatilità consentono di ampliare il campo di utilizzo e di garantirne la modularità e l'applicazione in svariati ambiti. Nei capitoli seguenti, verranno introdotti pertanto i sistemi IoT, entrando nel dettaglio circa le principali tecnologie e lo stato dell'arte. Successivamente, sarà presentata una categorizzazione dei droni attualmente disponibili, spiegandone i componenti essenziali e i fondamenti del volo. Si passerà poi alla descrizione dettagliata e al percorso di ottimizzazione dell'architettura hardware e software del sistema telemetrico implementato, entrando nel dettaglio della piattaforma ThingsBoard e del protocollo MQTT utilizzati. Nella parte finale della tesi verranno presentate le prove sperimentali che abbiamo realizzato variando i valori delle grandezze misurate e rilevando tali variazioni nel pannello grafico progettato. Per quanto riguarda la modalità di volo autonomo del drone, abbiamo scritto dei programmi specifici che pilotano il drone da una posizione di partenza prestabilita ai vari punti di interesse, presso i quali effettuare le misurazioni.Verranno inoltre presentate alcune applicazioni pratiche, da noi ipotizzate per questo sistema. Non si tratterà ovviamente di una presentazione completa ed esauriente di tutte le possibili applicazioni di questo metodo, ma semplicemente di qualche esempio, legato al particolare strumento telemetrico implementato (relativo alle misure di temperatura ed umidità). Infine, nelle conclusioni, verranno dati spunti per ulteriori sviluppi del sistema elaborato.