A COGNITIVE ARCHITECTURE FOR AMBIENT INTELLIGENCE

Ambient Intelligence (AmI) systems are characterized by the use of pervasive equipments for monitoring and modifying the environment according to users’ needs, and to globally defined constraints. Furthermore, such systems cannot ignore requirements about ubiquity, scalability, and transparency to the user. An enabling technology capable of accomplishing these goals is represented by Wireless Sensor Networks (WSNs), characterized by low-costs and unintrusiveness. However, although provided of in-network processing capabilities, WSNs do not exhibit processing features able to support comprehensive intelligent systems; on the other hand, without this pre-processing activities the wealth of sensory data may easily overwhelm a centralized AmI system, clogging it with superfluous details. This work proposes a cognitive architecture able to perceive, decide upon, and control the environment of which the system is part, based on a new approach to knowledge extraction from raw data, that addresses this issue at different abstraction levels. WSNs are used as the pervasive sensory tool, and their computational capabilities are exploited to remotely perform preliminary data processing. A central intelligent unit subsequently extracts higher-level concepts in order to carry on symbolic reasoning. The aim of the reasoning is to plan a sequence of actions that will lead the environment to a state as close as possible to the users’ desires, taking into account both implicit and explicit feedbacks from the users, while considering global system-driven goals, such as energy saving. The proposed conceptual architecture was exploited to develop a testbed providing the hardware and software tools for the development and management of AmI applications based on WSNs, whose main goal is energy saving for global sustainability. In order to make the AmI system able to communicate with the external world in a reliable way, when some services are required to external agents, the architecture was enriched with a distributed reputation management protocol. A sample application exploiting the testbed features was implemented for addressing temperature control in a work environment. Knowledge about the user’s presence is obtained through a multi-sensor data fusion module based on Bayesian networks, and this information is exploited by a multi-objective fuzzy controller that operates on actuators taking into account users’ preference and energy consumption constraints.

L’Ambient Intelligence (AmI) è caratterizzata dall’uso di sistemi pervasivi per monitorare l’ambiente e modificarlo secondo le esigenze degli utenti e rispettando vincoli definiti globalmente. Questi sistemi non possono prescindere da requisiti come la scalabilità e la trasparenza per l’utente. Una tecnologia che consente di raggiungere questi obiettivi è rappresentata dalle reti di sensori wireless (WSN), caratterizzate da bassi costi e bassa intrusività. Tuttavia, sebbene in grado di effettuare elaborazioni a bordo dei singoli nodi, le WSN non hanno da sole le capacità di elaborazione necessarie a supportare un sistema intelligente; d’altra parte senza questa attività di pre-elaborazione la mole di dati sensoriali può facilmente sopraffare un sistema centralizzato con un’eccessiva quantità di dettagli superflui. Questo lavoro presenta un’architettura cognitiva in grado di percepire e controllare l’ambiente di cui fa parte, basata su un nuovo approccio per l’estrazione di conoscenza a partire dai dati grezzi, attraverso livelli crescenti di astrazione. Le WSN sono utilizzate come strumento sensoriale pervasivo, le cui capacità computazionali vengono utilizzate per pre-elaborare i dati rilevati, in modo da consentire ad un sistema centralizzato intelligente di effettuare ragionamenti di alto livello. L’architettura proposta è stata utilizzata per sviluppare un testbed dotato degli strumenti hardware e software necessari allo sviluppo e alla gestione di applicazioni di AmI basate su WSN, il cui obiettivo principale sia il risparmio energetico. Per fare in modo che le applicazioni di AmI siano in grado di comunicare con il mondo esterno in maniera affidabile, per richiedere servizi ad agenti esterni, l’architettura è stata arricchita con un protocollo di gestione distribuita della reputazione. È stata inoltre sviluppata un’applicazione di esempio che sfrutta le caratteristiche del testbed, con l’obiettivo di controllare la temperatura in un ambiente lavorativo. Quest’applicazione rileva la presenza dell’utente attraverso un modulo per la fusione di dati multi-sensoriali basato su reti bayesiane, e sfrutta questa informazione in un controllore fuzzy multi-obiettivo che controlla gli attuatori sulla base delle preferenze dell’utente e del risparmio energetico.