Progettazione e implementazione di una rete di sensori mobili Arduino per scenari di Disaster Recovery

Sommario Il progetto descritto in questo documento consiste nella realizzazione di una prima applicazione pratica di uno specifico studio di ricerca rivolto al ripristino di reti wireless in scenari post-calamità naturali. In principio è stata descritta un’ampia analisi delle problematiche di rete che si vengono a creare in seguito ad eventi catastrofici. Successivamente, analizzando le varie tecniche e tecnologie oggetto di studio di diversi gruppi di ricerca, si è scelto di collaborare con il progetto STEM-Mesh, essendo ancora in fase sperimentale, il quale affronta il problema di ristabilire la connettività di rete in questi particolari scenari, attraverso l’utilizzo di tecnologie Cognitive Radio (CR), mobilità controllata e principi di reti auto-organizzanti. Di questo primo approccio pratico sono state poi descritte le fasi di progettazione, implementazione e testing. Nella fase di progettazione sono state studiate le componenti hardware e software che rispettassero il più possibile i requisiti e le caratteristiche dei dispositivi “staminali” STEM-Node cuore del progetto STEM-Mesh, ovvero dei dispositivi wireless altamente auto-riconfiguranti ed auto-organizzanti che possono diventare dispositivi sostituivi ai nodi compromessi in una rete, riconfigurandosi appunto in base alle funzionalità interrotte. Nella fase di implementazione si è passati alla stesura del codice, in Python e Wiring, abilitante il dispositivo STEM-Node. Infine nella fase di testing si è verificato che i risultati fossero quelli desiderati e che il sistema realizzato funzionasse come previsto.

Transistors elettrochimici organici e la loro applicazione come sensori.

La presente tesi tratta della fabbricazione e del funzionamento di transistors elettrochimici organici (OECTs) composti da fi�lm sottili di poly(3,4-ethylenedioxythiophene) disperso con polystyrenesulfonic acid, o PEDOT:PSS, oltre che del loro possibile utilizzo come sensori. La trattazione si apre con una panoramica sui polimeri conduttivi, siano essi puri o drogati, e sulle loro caratteristiche chimiche ed elettriche: diversi metodi di drogaggio consentono il loro utilizzo come semiconduttori. Tra questi polimeri, il PEDOT �e uno dei pi�u utilizzati poich�e presenta accessibilit�a d'uso e ottima stabilit�a nel suo stato drogato, pur risultando insolubile in acqua; per ovviare a questo problema lo si polimerizza con PSS. Le propriet�a di questo composto sono poi ampiamente discusse, soprattutto in ambito di applicazioni tecniche, per le quali �e neccessario che il polimero in soluzione sia depositato su un substrato. A questo scopo vengono presentate le principali techiche che consentono la deposizione, permettendo di creare fil�lm sottili di materiale da utilizzarsi, nell'ambito di questa tesi, come gate e canale dei transistors elettrochimici. A seguire viene esposta la struttura degli OECTs e spiegato il loro funzionamento, modellizzando i dispositivi con un semplice circuito elettrico. Il confronto dei meno noti OECTs con i meglio conosciuti transistors a eff�etto campo semplifi�ca la comprensione del funzionamento dei primi, i quali sono rilevanti ai fi�ni di questa trattazione per il loro possibile funzionamento come sensori. In seguito alla spiegazione teorica, vengono illustrati i metodi seguiti per la deposizione di �film sottili di PEDOT:PSS tramite Spin Coating e per la fabbricazione degli OECTs su cui sono state eff�ettuate le misure, le quali sono state scelte e presentate in base ai risultati gi�a ottenuti in letteratura e a seconda dei dati ritenuti necessari alla caratterizzazione del transistor elettrochimico nell'ottica di un suo possibile utilizzo come sensore. Perci�o sono state eseguite misure amperometriche in funzione delle tensioni di gate e di drain, alternatamente tenendo costante una e variando l'altra, oltre che in funzione della concentrazione di elettrolita, dell'area del canale e del tempo. In conclusione sono presentati i dati sperimentali ottenuti ed una loro analisi.

Sensori resistivi per un microsistema di monitoraggio ambientale

Panoramica sui sensori resistivi, scelta di alcuni di essi per un progetto di monitoraggio ambientale, e poi realizzazione del PCB con i sensori.

Sensori di conducibilità per applicazioni in ambito dialitico: stato dell'arte

Nel presente lavoro di tesi sono state introdotte le basi dell'insufficienza renale, delle terapie dialitiche, il concetto di biofeedback e le misure di conducibilità e concentrazione. Sono stati poi introdotti i modelli cinetici di conducibilità e concentrazione del sodio. Queste premesse sono servite a fornire le basi per l'analisi dei sensori di conducibilità attualmente in uso su macchine per emodialisi: il Diascan, Il Natrium e l'OLC.

Studio e realizzazione di sensori per una veneziana frangisole intelligente

La tesi si divide in due parti, la prima riguarda lo studio e caratterizzazione di sensori di luminosità e temperatura per una barriera frangisole intelligente. La seconda parte si basa sullo studio di una connessione wireless attraverso l'utilizzo di moduli XBee.

Identificazione di attività motorie a partire da misure con sensori indossabili: una revisione critica della letteratura

La revisione qui riportata valuta tutte le modalità di identificazione di task motori e posturali attraverso l'uso di sensori indossabili, principalmente accelerometri. Essa ha lo scopo di illustrare i sensori e gli algoritmi utilizzati in 23 articoli scelti in base alla loro qualità secondo una metodologia personalizzata di ricerca per fare il punto degli studi in questo campo, fino a questo momento. I dati estratti vengono utilizzati per individuare gli aspetti chiave riportati negli articoli, specialmente riguardanti l'algoritmo, focus della nostra revisione. Secondo questo criterio vengono selezionati 13 articoli, i quali si soffermano maggiormente sui modelli di approccio utilizzati, al fine di ottenere la più elevata accuratezza nell'identificazione. Questa in generale varia tra l'80-90% per i task motori più conosciuti(camminata, corsa e altri) mentre rimane limitata, intorno al 60-70% quando vengono analizzati i movimenti specifici degli arti superiori o inferiori.

Tracking di target multipli in reti di sensori radar

Viene proposta una possibile soluzione al problema del tracking multitarget, tramite una rete di sensori radar basata su tecnoligia ultra wide-band. L'area sorvegliata ha una superficie pari a 100 metri quadri e all'interno di essa si vuole tracciare la traiettoria di più persone.

Validità dei sistemi per la supervisione del cammino in persone con malattia di parkinson attraverso l'utilizzo di sensori inerziali

Il morbo di Parkinson è una comune malattia neurodegenerativa. I disturbi nella camminata sono per le persone affette da questa patologia una delle più frequenti cause di disabilità e limitazione all’indipendenza nello svolgimento delle attività della vita quotidiana. La camminata nei soggetti che presentano questa malattia è caratterizzata da bassa velocità, produzione di shuffling, passi corti, e alta cadenza del passo. Recenti studi hanno dimostrato che i soggetti con la malattia di Parkinson possono ricevere benefici da una terapia motoria basata su sistemi stand alone in grado di fornire stimoli audio e feedback. Lo scopo di questo studio è stato quello di esaminare se i soggetti con la malattia di Parkinson miglioravano la loro camminata in risposta a due tipi di stimoli audio: istruzioni verbali e metronomo. Undici soggetti con la malattia di Parkinson sono stati testati utilizzando un sistema indossabile finalizzato alla fornitura di un feedback uditivo. Il sistema è in grado di estrarre in tempo reale i parametri spazio-temporali(cadenza, lunghezza del passo e velocità) della camminata e, confrontandoli con parametri di riferimento ottenuti da una camminata del soggetto stesso supervisionata dal clinico, è in grado di restituire all’utente un feedback sotto forma di messaggio vocale o di metronomo finalizzato a correggere, qualora la camminata attuale non risulti efficace e clinicamente corretta, lo schema della camminata.

Modellazione e analisi energetica di tecnologie wireless per reti di sensori

Nella tesi viene svolto un lavoro di modellazione del protocollo MAC 802.15.4 Wireless Personal Area Network (WPAN), per reti di sensori; dopodiché esso viene sottoposto ad una serie di analisi energetiche attraverso simulazioni nell'ambiente OMNeT++. Numerosi sono i parametri che sono stati considerati per caratterizzare al meglio le analisi effettuate, nonché le diverse condizioni iniziali. Il profilo energetico ottenuto è stato messo a confronto con quello del protocollo 802.15.4m per TVWS. I dati ottenuti sono stati elaborati con un algoritmo power control con l'obiettivo di raggiungere la massima ottimizzazione energetica.

Analisi di algoritmi per reti di sensori radar uwb basati su misure sperimentali

In un sistema radar è fondamentale rilevare, riconoscere e cercare di seguire il percorso di un eventuale intruso presente in un’area di osservazione al fine ultimo della sicurezza, sia che si consideri l’ambito militare, che anche quello civile. A questo proposito sono stati fatti passi avanti notevoli nella creazione e sviluppo di sistemi di localizzazione passiva che possano rilevare un target (il quale ha come unica proprietà quella di riflettere un segnale inviato dal trasmettitore), in modo che esso sia nettamente distinto rispetto al caso di assenza dell’intruso stesso dall’area di sorveglianza. In particolare l’ultilizzo di Radar Multistatico (ossia un trasmettitore e più ricevitori) permette una maggior precisione nel controllo dell’area d’osservazione. Tra le migliori tecnologie a supporto di questa analisi vi è l’UWB (Ultra Wide-Band), che permette di sfruttare una banda molto grande con il riscontro di una precisione che può arrivare anche al centimetro per scenari in-door. L’UWB utilizza segnali ad impulso molto brevi, a banda larga e che quindi permettono una risoluzione elevata, tanto da consentire, in alcune applicazioni, di superare i muri, rimuovendo facilmente gli elementi presenti nell’ambiente, ossia il clutter. Quindi è fondamentale conoscere algoritmi che permettano la detection ed il tracking del percorso compiuto dal target nell’area. In particolare in questa tesi vengono elaborati nuovi algoritmi di Clustering del segnale ricevuto dalla riflessione sull’intruso, utilizzati al fine di migliorare la visualizzazione dello stesso in post-processing. Infine questi algoritmi sono stati anche implementati su misure sperimentali attuate tramite nodi PulsOn 410 Time Domain, al fine ultimo della rilevazione della presenza di un target nell’area di osservazione dei nodi.

Sviluppo e test di una rete di sensori indossabili per il monitoraggio e la riabilitazione di pazienti affetti da morbo di parkinson

Il recente sviluppo commerciale di smartphone, tablet e simili dispositivi, ha portato alla ricerca di soluzioni hardware e software dotate di un alto livello di integrazione, in grado di supportare una potenza di calcolo e una versatilità di utilizzo sempre più crescenti, pur mantenendo bassi i consumi e le dimensioni dei dispositivi. Questo sviluppo ha consentito parallelamente a simili tecnologie di trovare applicazione in tanti altri settori, tra i quali quello biomedicale. Il lavoro esposto in questa tesi si inserisce nel contesto appena descritto e, in particolare, consiste nello sviluppo di un sistema WBAN ideato per garantire maggiore flessibilità, controllo e personalizzazione nella terapia riabilitativa dei pazienti affetti da Morbo di Parkinson. In questo campo è stata dimostrata l'efficacia, in termini di miglioramento delle condizioni di vita dell'individuo, dell'esercizio fisico e in particolare di una serie di fisioterapie riabilitative specifiche. Tuttavia manca ancora uno strumento in grado di garantire più indipendenza, continuità e controllo,per le persone affette da MP, durante l'esecuzione di questi esercizi; senza che sia strettamente necessario l'intervento di personale specializzato per ogni seduta fisioterapeutica. Inoltre manca un sistema che possa essere comodamente trasportato dal paziente nelle attività di tutti i giorni e che consenta di registrare e trasmettere eventi particolari legati alla patologia, come blocchi motori e cadute accidentali. Il presente lavoro di tesi tratta della realizzazione di un Firmware per la gestione di un Nodo Centrale che funge da master in una rete WBAN a tre nodi. L'obbiettivo è quello di integrare in tale firmware le funzioni di acquisizione dati dai sensori on-board, comunicazione tra i nodi della rete e gestione delle periferiche hardware secondarie; in particolare per lo sviluppo è stato usato un Sistema Operativo Real-Time (RTOS) del quale sono esposti vantaggi e svantaggi dell’utilizzo.

Monitoraggio del cammino nei soggetti con malattia di parkinson tramite l'utilizzo di sensori inerziali: Disegno e sviluppo di algoritmi per la stima della clearance dei piedi e dell'inclinazione del tronco

La malattia di Parkinson è un disturbo neurodegenerativo con eziologia sconosciuta che colpisce in particolare le aree del cervello che sono coinvolte nel controllo del movimento. Tale disturbo neurologico causa anomalie sull’andatura del soggetto portandolo ad esempio a strisciare i piedi e flettere il busto più del necessario; anomalie che causano una camminata insicura che può sfociare in inciampi e cadute. Lo scopo di questo studio è disegnare e sviluppare algoritmi in grado di stimare la clearance dei piedi e l’inclinazione del tronco, al fine di essere inseriti nel progetto CuPiD, il quale fornisce un feedback vocale ogni volta in cui il soggetto parkinsoniano presenti valori dei parametri monitorati al di fuori di un range fisiologico. Sono stati reclutati 20 soggetti, 10 a cui è stata diagnosticata la malattia di Parkinson idiopatica e 10 asintomatici.
Nella valutazione sperimentale si è acquisita la camminata dei soggetti coinvolti nell’esperimento, utilizzando un sistema inerziale ed un sistema stereofotogrammetrico come gold standard. Ogni soggetto ha eseguito 4 camminate, ciascuna della durata di 2 minuti, nelle seguenti diverse condizioni: camminata normale, focus sui piedi, focus sul tronco, audio stroop. Inoltre si è valutata l’entità delle differenze cliniche dei due parametri stimati, tra il gruppo dei soggetti malati di Parkinson ed il gruppo dei soggetti sani. Dallo studio effettuato si propone un algoritmo per la stima della clearance che presenta un errore relativamente alto

Analisi del cammino in acqua tramite sensori inerziali: Accuratezza strumentale e fasce di normalita

La biocinematica è una branca della biomeccanica che studia il movimento dei segmenti corporei senza considerare le cause che lo determinano. Le grandezze fisiche di interesse (posizione, velocità ed accelerazione) vengono determinate grazie ai sistemi di analisi del movimento che sfruttano principi fisici di funzionamento differenti con vari gradi di invasività. Lo sviluppo di nuove tecnologie di costruzione dei sensori inerziali, ha fornito una valida alternativa alle tecniche classiche per l’analisi del movimento umano. Gli IMUs (Inertial Measurement Units) sono facilmente indossabili, possono essere facilmente utilizzati fuori dal laboratorio, hanno un costo molto inferiore rispetto a quello dei sistemi opto-elettronici, non richiedono particolari abilità per essere utilizzati dall’utente e si configurano facilmente. In questa tesi verrà analizzato il cammino e costruite le bande di normalità sia in laboratorio che in acqua tramite i sensori inerziali. L’utilizzo in acqua delle tecniche classiche di analisi del movimento presenta dei problemi di accuratezza (legati ad esempio alla presenza delle bolle d’aria in acqua) che impediscono di effettuare un confronto tra i risultati ottenuti dai sensori e quelli ottenuti con un gold standard. Per questo motivo, è stato implementato un test per valutare l’accuratezza dei sensori e l’influenza dei disturbi magnetici sui magnetometri nelle stesse condizioni ambientali in cui si desidera registrare il cammino. Quest’analisi strumentale ha consentito anche di individuare, tra i diversi algoritmi di fusione utilizzati (algoritmo di fabbrica e algoritmo di Madgwick), quello da impiegare nell’analisi del suddetto task motorio per stimare in maniera più accurata l’orientamento dei sensori in acqua e in laboratorio. L'algoritmo di fabbrica viene escluso dal processo di sensor fusion poiché mostra un'accuratezza peggiore rispetto all'algoritmo di Madgwick. Dal momento che il protocollo implementato di analisi del cammino attraverso i sensori inerziali è già stato validato a secco e che le prestazioni dei sensori sono analoghe a secco e in acqua, il protocollo può essere utilizzato per la stima della cinematica degli arti inferiori nell'acqua. Le differenze riscontrate tra le curve del cammino sono da imputare sia alla diversa condizione ambientale che alla minore velocità di progressione che i soggetti manifestano in acqua. Infatti, la velocità media di progressione è 151.1 cm/s in laboratorio e 40.7 cm/s in acqua.

Stima dei parametri spazio temporali del cammino a partire da sensori inerziali: Una revisione critica della letteratura

L’analisi del cammino è uno strumento in grado di fornire importanti informazioni sul ciclo del passo; in particolare è fondamentale per migliorare le conoscenze biomeccaniche del cammino, sia normale che patologico, e su come questo viene eseguito dai singoli soggetti. I parametri spazio temporali del passo rappresentano alcuni degli indici più interessanti per caratterizzare il cammino ed il passo nelle sue diverse fasi. Essi permettono infatti il confronto e il riconoscimento di patologie e disturbi dell’andatura. Negli ultimi anni è notevolmente aumentato l’impiego di sensori inerziali (Inertial Measurement Unit, IMU), che comprendono accelerometri, giroscopi e magnetometri. Questi dispositivi, utilizzati singolarmente o insieme, possono essere posizionati direttamente sul corpo dei pazienti e sono in grado fornire, rispettivamente, il segnale di accelerazione, di velocità angolare e del campo magnetico terrestre. A partire da questi segnali, ottenuti direttamente dal sensore, si è quindi cercato di ricavare i parametri caratteristici dell’andatura, per valutare il cammino anche al di fuori dell’ambiente di laboratorio. Vista la loro promettente utilità e la potenziale vasta applicabilità nell’analisi del ciclo del cammino; negli ultimi anni un vasto settore della ricerca scientifica si è dedicata allo sviluppo di algoritmi e metodi per l’estrazione dei parametri spazio temporali a partire da dati misurati mediante sensori inerziali. Data la grande quantità di lavori pubblicati e di studi proposti è emersa la necessità di fare chiarezza, riassumendo e confrontando i metodi conosciuti, valutando le prestazioni degli algoritmi, l’accuratezza dei parametri ricavati, anche in base alla tipologia del sensore e al suo collocamento sull’individuo, e gli eventuali limiti. Lo scopo della presente tesi è quindi l’esecuzione di una revisione sistematica della letteratura riguardante la stima dei parametri spazio temporali mediante sensori inerziali. L’intento è di analizzare le varie tecniche di estrazione dei parametri spazio temporali a partire da dati misurati con sensori inerziali, utilizzate fino ad oggi ed indagate nella letteratura più recente; verrà utilizzato un approccio prettamente metodologico, tralasciando l’aspetto clinico dei risultati.