Un'infrastruttura distribuita per l'acquisizione e la visualizzazione interattiva dei dati dell'LHC

Questo progetto di tesi è lo sviluppo di un sistema distribuito di acquisizione e visualizzazione interattiva di dati. Tale sistema è utilizzato al CERN (Organizzazione Europea per la Ricerca Nucleare) al fine di raccogliere i dati relativi al funzionamento dell'LHC (Large Hadron Collider, infrastruttura ove avvengono la maggior parte degli esperimenti condotti al CERN) e renderli disponibili al pubblico in tempo reale tramite una dashboard web user-friendly. L'infrastruttura sviluppata è basata su di un prototipo progettato ed implementato al CERN nel 2013. Questo prototipo è nato perché, dato che negli ultimi anni il CERN è diventato sempre più popolare presso il grande pubblico, si è sentita la necessità di rendere disponibili in tempo reale, ad un numero sempre maggiore di utenti esterni allo staff tecnico-scientifico, i dati relativi agli esperimenti effettuati e all'andamento dell'LHC. Le problematiche da affrontare per realizzare ciò riguardano sia i produttori dei dati, ovvero i dispositivi dell'LHC, sia i consumatori degli stessi, ovvero i client che vogliono accedere ai dati. Da un lato, i dispositivi di cui vogliamo esporre i dati sono sistemi critici che non devono essere sovraccaricati di richieste, che risiedono in una rete protetta ad accesso limitato ed utilizzano protocolli di comunicazione e formati dati eterogenei. Dall'altro lato, è necessario che l'accesso ai dati da parte degli utenti possa avvenire tramite un'interfaccia web (o dashboard web) ricca, interattiva, ma contemporaneamente semplice e leggera, fruibile anche da dispositivi mobili. Il sistema da noi sviluppato apporta miglioramenti significativi rispetto alle soluzioni precedentemente proposte per affrontare i problemi suddetti. In particolare presenta un'interfaccia utente costituita da diversi widget configurabili, riuitilizzabili che permettono di esportare i dati sia presentati graficamente sia in formato "machine readable". Un'alta novità introdotta è l'architettura dell'infrastruttura da noi sviluppata. Essa, dato che è basata su Hazelcast, è un'infrastruttura distribuita modulare e scalabile orizzontalmente. È infatti possibile inserire o rimuovere agenti per interfacciarsi con i dispositivi dell'LHC e web server per interfacciarsi con gli utenti in modo del tutto trasparente al sistema. Oltre a queste nuove funzionalità e possbilità, il nostro sistema, come si può leggere nella trattazione, fornisce molteplici spunti per interessanti sviluppi futuri.

Sviluppo e validazione di una App Android per il riconoscimento dell'attivita motoria tramite Smartphones e Smartwatch

In questo progetto di tesi saranno applicate tecniche appartenenti al campo della bioingegneria, indirizzate al riconoscimento delle attività motorie e all’analisi del movimento umano. E' stato definito un protocollo di ricerca necessario per il raggiungimento degli obiettivi finali. Si è quindi implementata un’App Android per l’acquisizione e il salvataggio dei dati provenienti dai principali sensori di Smartwatch e Smartphone, utilizzati secondo le modalità indicate nel protocollo. Successivamente i dati immagazzinati nei dispositivi vengono trasferiti al Pc per effettuarne l’elaborazione off-line, in ambiente Matlab. Per facilitare la seguente procedura di sincronizzazione dei dati intra e inter-device, tutti i sensori sono stati salvati, dall’App Android, secondo uno schema logico definito. Si è perciò verificata la possibilità del riconoscimento del contesto e dell’attività nell’uso quotidiano dei dispositivi. Inoltre si è sviluppato un algoritmo per la corretta identificazione del numero dei passi, indipendentemente dall’orientamento del singolo dispositivo. Infatti è importante saper rilevare in maniera corretta il numero di passi effettuati, soprattutto nei pazienti che, a causa di diverse patologie, non riescono ad effettuare una camminata fluida, regolare. Si è visto come il contapassi integrato nei sistemi commerciali per il fitness più diffusi (Smartwatch), pecca soprattutto in questa valutazione, mentre l’algoritmo, appositamente sviluppato, è in grado di garantire un’analisi accettabile a prescindere dal tipo di attività svolta, soprattutto per i dispositivi posizionati in L5. Infine è stato implementato un algoritmo, che sfrutta il filtro di Kalman e un modello biomeccanico appositamente sviluppato, per estrapolare l’evoluzione dell’angolo Tronco-Coscia. Avere a disposizione tale informazione e perciò conoscere la biomeccanica e la cinematica del corpo umano, rende possibile l’applicazione di questa procedura in svariati campi in ambito clinico e non.

Inverters multilivello per il pilotaggio di motori asincroni trifase

In questo lavoro di laurea si presentano le varie famiglie di convertitori multilivello MMC (Modular Multilevel Converter). Questi convertitori sono di ausilio per il condizionamento dei parametri di reti elettriche in media e alta tensione e possono anche essere convenientemente utilizzati nel pilotaggio di motori asincroni trifase. Dopo aver esplicitato i principi di funzionamento, presentato i dispositivi di commutazione, le tipologie conosciute e le rispettive principali tecniche di modulazione, si è presentato il motore asincrono trifase, il suo circuito equivalente e le problematiche di accoppiamento ad un inverter. Successivamente si è simulato un inverter multilivello di tipo Diode-Clamped, con modulazione analogica PWM multiportante, che aziona un motore asincrono commerciale, così da poterne verificare le prestazioni in diversi regimi di velocità.

Sviluppo di un sistema di misura ottico per la valutazione accurata del volume ematico durante il trattamento emodialitico.

L’insufficienza renale cronica è una malattia di grande impatto sulla sanità pubblica. Il punto di approdo per la maggior parte dei pazienti, alternativo al trapianto renale, è il trattamento dialitico che rappresenta una cura ad alto costo sia sociale che economico. Il rene artificiale è il dispositivo attraverso il quale si effettua la terapia, ed è frutto di un costante sviluppo che mira a sostituire la funzione renale in quanto sottosistema dell’organismo umano. Per questo è sempre più importante dotarlo di un adeguato set di sensori che permettano di monitorare l’efficacia del trattamento. L’emodialisi prevede la rimozione dei liquidi in eccesso accumulati nel periodo che intercorre tra due trattamenti successivi, per questo un parametro molto importante da monitorare è la variazione relativa del volume ematico (RBV, Relative Blood Volume Variation). A questo scopo gli attuali dispositivi per dialisi in commercio utilizzano tecnologie ad ultrasuoni o ottiche: è stata però recentemente evidenziata la sensibilità indesiderata di questa seconda tecnica ai cambiamenti di osmolarità del sangue sotto analisi. Lo studio presentato in questa tesi è volto a migliorare l’accuratezza con la quale effettuare la stima del RBV nel corso del trattamento dialitico, attraverso un sistema di misura ottico sperimentale. Il prototipo realizzato prevede di aumentare le informazioni raccolte sia aumentando la distribuzione spaziale dei sensori ottici che allargando la banda di lunghezze d’onda alla quale i dati vengono acquisiti. La stima del RBV è gestita attraverso algoritmi basati sulle combinazioni lineari, sulle reti neurali e su modelli autoregressivi.

Sintesi di complessi luminescenti anionici di Ir(III)

Negli ultimi anni si è osservato un crescente sviluppo della ricerca nel campo dei materiali luminescenti per le loro diverse applicazioni reali e potenziali, fra cui l’impiego in dispositivi elettroluminescenti, quali OLEDs (Organic Light-Emitting Diodes) e LECs (Light-Emitting Electrochemical Cells). In modo particolare, si rivolge grande attenzione ai complessi ciclometallati di Ir(III) grazie alle peculiari caratteristiche che li contraddistinguono fra i materiali luminescenti, come l'emissione fosforescente, alte rese quantiche di emissione, lunghi tempi di vita e buona stabilità nei dispositivi. Oltre a tali caratteristiche uno dei principali vantaggi presentati dai complessi di Ir(III) è la possibilità di modulare la lunghezza d'onda di emissione modificando la struttura dei leganti ciclometallanti e ancillari. Considerata la versatilità di questi sistemi e la loro conseguente rilevanza, diverse sono state le strategie applicate per l'ottenimento di complessi di Ir(III) generalmente neutri e cationici; al contrario pochi esempi di complessi di Ir(III) anionici sono attualmente riportati in letteratura. Lo scopo del mio lavoro di tesi è stato quindi quello di sintetizzare tre nuovi complessi anionici luminescenti di Ir(III) con tre diversi leganti ciclometallanti. Il piano di lavoro è stato suddiviso in stadi successivi, partendo dalla sintesi dei tre leganti ciclometallanti, impiegati poi nella preparazione dei dimeri di Ir(III) precursori dei miei complessi; infine facendo reagire questi ultimi con un legante ancillare bisanionico, derivato dal di(1H-tetrazol-5-il)metano, si è giunti all'ottenimento di tre complessi anionici luminescenti di Ir(III). Dopo questa prima parte, il lavoro di tesi è proseguito con la caratterizzazione spettroscopica dei tre complessi anionici e la determinazione delle loro proprietà fotofisiche tramite la registrazione di spettri di assorbimento, di emissione e la determinazione delle rese quantiche di emissione e dei tempi di vita. Infine si è preparato un “soft salt” costituito da un complesso anionico e uno cationico di Ir(III) le cui caratteristiche sono tutt'ora oggetto di studio del gruppo di ricerca presso il quale ho svolto il mio lavoro di tesi.

Innovazioni nel campo dell'ElettroEncefalografia

Il funzionamento del cervello umano, organo responsabile di ogni nostra azione e pensiero, è sempre stato di grande interesse per la ricerca scientifica. Dopo aver compreso lo sviluppo dei potenziali elettrici da parte di nuclei neuronali in risposta a stimoli, si è riusciti a graficare il loro andamento con l'avvento dell'ElettroEncefaloGrafia (EEG). Tale tecnologia è entrata a far parte degli esami di routine per la ricerca di neuropsicologia e di interesse clinico, poiché permette di diagnosticare e discriminare i vari tipi di epilessia, la presenza di traumi cranici e altre patologie del sistema nervoso centrale. Purtroppo presenta svariati difetti: il segnale è affetto da disturbi e richiede un'adeguata elaborazione tramite filtraggio e amplificazione, rimanendo comunque sensibile a disomogeneità dei tessuti biologici e rendendo difficoltoso il riconoscimento delle sorgenti del segnale che si sono attivate durante l'esame (il cosiddetto problema inverso). Negli ultimi decenni la ricerca ha portato allo sviluppo di nuove tecniche d'indagine, di particolare interesse sono la ElettroEncefaloGrafia ad Alta Risoluzione (HREEG) e la MagnetoEncefaloGrafia (MEG). L'HREEG impiega un maggior numero di elettrodi (fino a 256) e l'appoggio di accurati modelli matematici per approssimare la distribuzione di potenziale elettrico sulla cute del soggetto, garantendo una migliore risoluzione spaziale e maggior sicurezza nel riscontro delle sorgenti neuronali. Il progresso nel campo dei superconduttori ha reso possibile lo sviluppo della MEG, che è in grado di registrare i deboli campi magnetici prodotti dai segnali elettrici corticali, dando informazioni immuni dalle disomogeneità dei tessuti e andando ad affiancare l'EEG nella ricerca scientifica. Queste nuove tecnologie hanno aperto nuovi campi di sviluppo, più importante la possibilità di comandare protesi e dispositivi tramite sforzo mentale (Brain Computer Interface). Il futuro lascia ben sperare per ulteriori innovazioni.

Localizzazione e tracking tramite filtri statistici in sistemi multi antenna

Uno dei temi più recenti nel campo delle telecomunicazioni è l'IoT. Tale termine viene utilizzato per rappresentare uno scenario nel quale non solo le persone, con i propri dispositivi personali, ma anche gli oggetti che le circondano saranno connessi alla rete con lo scopo di scambiarsi informazioni di diversa natura. Il numero sempre più crescente di dispositivi connessi in rete, porterà ad una richiesta maggiore in termini di capacità di canale e velocità di trasmissione. La risposta tecnologica a tali esigenze sarà data dall’avvento del 5G, le cui tecnologie chiave saranno: massive MIMO, small cells e l'utilizzo di onde millimetriche. Nel corso del tempo la crescita delle vendite di smartphone e di dispositivi mobili in grado di sfruttare la localizzazione per ottenere servizi, ha fatto sì che la ricerca in questo campo aumentasse esponenzialmente. L'informazione sulla posizione viene utilizzata infatti in differenti ambiti, si passa dalla tradizionale navigazione verso la meta desiderata al geomarketing, dai servizi legati alle chiamate di emergenza a quelli di logistica indoor per industrie. Data quindi l'importanza del processo di positioning, l'obiettivo di questa tesi è quello di ottenere la stima sulla posizione e sulla traiettoria percorsa da un utente che si muove in un ambiente indoor, sfruttando l'infrastruttura dedicata alla comunicazione che verrà a crearsi con l'avvento del 5G, permettendo quindi un abbattimento dei costi. Per fare ciò è stato implementato un algoritmo basato sui filtri EKF, nel quale il sistema analizzato presenta in ricezione un array di antenne, mentre in trasmissione è stato effettuato un confronto tra due casi: singola antenna ed array. Lo studio di entrambe le situazioni permette di evidenziare, quindi, i vantaggi ottenuti dall’utilizzo di sistemi multi antenna. Inoltre sono stati analizzati altri elementi chiave che determinano la precisione, quali geometria del sistema, posizionamento del ricevitore e frequenza operativa.

SAR ed effetti termici su Cheratinociti sottoposti a Radiofrequenze

Negli ultimi anni, la popolazione è stata esposta a vari tipi di campi elettromagnetici generati da strumentazioni elettroniche e dispositivi di telecomunicazione. In questa tesi, si valutano SAR ed effetti termici prodotti da tre antenne patch a radiofrequenza sia su Cheratinociti (cellule dell'epidermide) in vitro che sull'epidermide umana in vivo caratterizzata in un modello multistrato contenente tessuti biologici. Le antenne progettate hanno frequenze di risonanza di 1.8 e 2.4 GHz, tipiche delle bande utilizzate rispettivamente da LTE (Long Term Evolution, la più recente evoluzione degli standard di telefonia mobile cellulare) e dalle moderne tecnologie Wi-Fi, e di 60 GHz, propria delle cosiddette onde millimetriche. Vengono valutati quindi il SAR (Specific Absorption Rate, grandezza che fornisce una misura dell'assorbimento delle onde da parte dei tessuti biologici) e le variazioni di temperatura prodotte dall'applicazione del campo elettromagnetico: ciò viene realizzato attraverso l'equazione del calore stazionaria e, nel caso dell'epidermide in vivo, con la Bioheat Equation, che contempla anche la circolazione sanguigna ed il calore generato nei processi metabolici che avvengono nell'organismo.

Cinematica della corsa con stampelle tramite sensori inerziali: Analisi di soggetti della Nazionale Italiana di Calcio Amputati

L’analisi del movimento umano mira alla raccolta di informazioni quantitative riguardo la meccanica del sistema muscolo-scheletrico durante l’esecuzione di un compito motorio. All’interno di questo contesto, la cinematica del passo rappresenta uno strumento d’indagine tra i più usati. Tra i diversi protocolli di analisi cinematiche si è affermato recentemente l’uso di sensori magnetico-inerziali. Il principale vantaggio di questi dispositivi rispetto alla tecnica tradizionalmente impiegata (la stereofotogrammetria) è che possono essere utilizzati al di fuori di un ambiente di laboratorio, rendendo meno vincolante la scelta del task motorio da analizzare. Lo stato dell’arte offre una molteplicità di studi basati sull’analisi del cammino e della corsa di atleti, professionisti o dilettanti, utilizzando sensori inerziali; nulla, però, è stato dedicato alla corsa con stampelle. In questo lavoro di tesi è stata dunque analizzata la corsa su stampelle di soggetti amputati (in particolare di atleti della Nazionale Italiana di Calcio Amputati). Dalla letteratura sono stati individuati tre metodi, ideati principalmente per la corsa di soggetti normodotati e in questa situazione riadattati per la corsa di soggetti con amputazione/malformazione di un arto inferiore, con i quali è stato possibile ricavare parametri temporali relativi al ciclo del passo; è stato inoltre progettato un nuovo metodo che permette di ricavare parametri temporali della corsa attraverso le fasi delle stampelle. L’elemento che contraddistingue questo studio è la presenza di un gold standard, dato da un riferimento video, con il quale sarà possibile determinare con più affidabilità quale metodo risulti più adeguato per l’analisi di questo tipo di corsa.

Integration of Internet of Things and Cloud computing. A case study on vital signs monitoring.

Il progresso scientifico e le innovazioni tecnologiche nei campi dell'elettronica, informatica e telecomunicazioni, stanno aprendo la strada a nuove visioni e concetti. L'obiettivo della tesi è quello d'introdurre il modello del Cloud computing per rendere possibile l'attuale visione di Internet of Thing. Nel primo capitolo si introduce Ubiquitous computing come un nuovo modo di vedere i computer, cercando di fare chiarezza sulla sua definizione, la sua nascita e fornendo un breve quadro storico. Nel secondo capitolo viene presentata la visione di Internet of Thing (Internet delle “cose”) che si avvale di concetti e di problematiche in parte già considerate con Ubiquitous computing. Internet of Thing è una visione in cui la rete Internet viene estesa agli oggetti di tutti i giorni. Tracciare la posizione degli oggetti, monitorare pazienti da remoto, rilevare dati ambientali sono solo alcuni esempi. Per realizzare questo tipo di applicazioni le tecnologie wireless sono da considerare necessarie, sebbene questa visione non assuma nessuna specifica tecnologia di comunicazione. Inoltre, anche schede di sviluppo possono agevolare la prototipazione di tali applicazioni. Nel terzo capitolo si presenta Cloud computing come modello di business per utilizzare su richiesta risorse computazionali. Nel capitolo, vengono inizialmente descritte le caratteristiche principali e i vari tipi di modelli di servizio, poi viene argomentato il ruolo che i servizi di Cloud hanno per Internet of Thing. Questo modello permette di accelerare lo sviluppo e la distribuzione di applicazioni di Internet of Thing, mettendo a disposizione capacità di storage e di calcolo per l'elaborazione distribuita dell'enorme quantità di dati prodotta da sensori e dispositivi vari. Infine, nell'ultimo capitolo viene considerato, come esempio pratico, l'integrazione di tecnologie di Cloud computing in una applicazione IoT. Il caso di studio riguarda il monitoraggio remoto dei parametri vitali, considerando Raspberry Pi e la piattaforma e-Health sviluppata da Cooking Hacks per lo sviluppo di un sistema embedded, e utilizzando PubNub come servizio di Cloud per distribuire i dati ottenuti dai sensori. Il caso di studio metterà in evidenza sia i vantaggi sia le eventuali problematiche che possono scaturire utilizzando servizi di Cloud in applicazioni IoT.

Evoluzione delle user interface: dalla metafora del desktop al Wearable Computing

Negli ultimi decenni abbiamo assistito ad una graduale evoluzione delle interfacce utente e della tecnologia. Sono stati introdotti nuovi dispositivi mobile e wearable che negli ultimi anni hanno subito un incremento tecnologico esponenziale arrivando a fondersi con la vita di tutti i giorni. Le classiche interfacce grafiche WIMP, la metafora del desktop e le linee guida di progettazione fino ad ora sviluppate non risultano ideali per la nuova tecnologia di wearable computing. Il proposito che la tesi vuole andare ad affrontare è proprio quello di indagare lo sviluppo di nuove user inteface basate sulla tecnologia wearable ed in particolare per smart glasses.

IoT e progettazione di sistemi di Home Automation: un caso di studio reale basato su framework e standard open

La nascita della Internet of Things, come conseguenza dell'aumento della capacità di calcolo e adozione di connettività in nuovi dispositivi, ha permesso l'apporto di nuove tecnologie negli oggetti di uso quotidiano e ha cambiano il modo in cui le persone utilizzano e interagiscono con questi oggetti. La Home Automation, da sempre orientata al controllo locale e remoto di apparecchiature domestiche, non ha mai raggiunto una grande diffusione per colpa del costo elevato, una controproducente chiusura rispetto ad altri sistemi e una certa difficoltà nella sua programmazione da parte dei possibili utenti. Le possibilità offerte dalla IoT e i limiti della Home Automation hanno suggerito lo sviluppo di un sistema in grado si superare queste limitazioni sfruttando le tecnologie più adatte a integrare Smart Object e sistemi, gli uni con gli altri, in maniera semplice e rapida. Il progetto e lo sviluppo di una soluzione reale di Home Automation basata su un impianto domotico commerciale ha permesso di dimostrare come strumenti opensource e tecnologie orientate alla IoT consentano, se opportunamente integrate, di migliorare sia la fruibilità dei sistemi domotici, attraverso la maggiore apertura verso altri sistemi, sia l'interazione con l'utente che sarà in grado di creare in modo semplice e diretto scenari di utilizzo sempre nuovi.

Evoluzione della limitazione di sostanze inquinanti e climalteranti nelle normative di omologazione per autoveicoli

Elaborato che si propone di evidenziare come i veicoli a benzina e a diesel possano soddisfare la normativa Euro 6. Si analizza il funzionamento dei principali sistemi di after-treatment come: catalizzatore SCR e DeNOx, trappola LNT, filtri FAP e DPF, sistemi EGR, per i motori ad accensione per compressione e catalizzatore TWC per motori ad accensione comandata. Parallelamente, si spiega l'evoluzione della normativa da Euro 6b a Euro 6c in termini di riduzione del numero di particelle di particolato emesse per km e come rispondere a queste più restrittive condizioni; viene introdotto, in via ancora sperimentale, il filtro antiparticolato GPF e un sistema di misurazione di nano particelle di dimensioni inferiori a 23 nm cioè una rivalutazione del metodo PMP. Contestualmente si definisce il progetto CARS 2020, il quale aggiunge una limitazione anche sulla quantità di anidride carbonica emessa a 95 g/km e le eventuali possibili soluzioni per rispettarla: da un maggior uso di combustibili alternativi a miglioramenti tecnologici dei motori stessi. Infine si studiano gli sviluppi dei cicli di omologazione, dal 2017 infatti entreranno in gioco test su strada con dispositivi PEMS on-board e cicli armonizzati WLTC. Le procedure RDE e WLTP permetteranno di testare i vecioli in maniera più reale e globale, rispettivamente, riuscendo a fornire anche valori attendibili dei consumi registrati durante le prove.

Bluetooth per TuCSoN mobile: panorama tecnologico ed esperimenti

La tesi analizza lo stack di comunicazione Bluetooth e le possibili estensioni di TuCSoN per permettere il suo utilizzo. Come risultato di questo lavoro, sono state realizzate delle librerie software che permettono lo scambio di messaggi tra TuCSoN su Android e dispositivi Bluetooth.

X-Ray Free-Electron Lasers

Recenti sviluppi nella progettazione di impianti di luce di sincrotrone di quarta generazione riguardano la produzione di fasci di luce nella banda dei raggi X con elevate caratteristiche in termini di brillanza, coerenza e impulsi estremamente brevi ( femtosecondo ) . I principali schemi per la produzione della radiazione XFEL riguardano l’impiego di ondulatori con differenti modalità di seeding. L’utilizzo dei fasci di radiazione XFEL nelle linee di luce per applicazioni di imaging, spettroscopia e diffrazione, ha determinato un costante sforzo sia nello sviluppo di dispositivi ottici in grado di selezionare e focalizzare il fascio su dimensioni nanometriche, che nella sperimentazione di tecniche “lensless” in grado di superare i limiti imposti dall’utilizzo di tali dispositivi . I risultati ottenuti nella produzione dei fasci hanno consentito nuove possibilità di indagine nella struttura dei materiali su distanze atomiche nella definizione, senza precedenti di dettagli su scale temporali del femtosecondo, permettendo lo studio, non solo di strutture atomiche in condizioni di equilibrio stabile quanto di stati della materia velocemente dinamici e di non equilibrio. CXDI e Spettroscopia Strutturale Ultraveloce risolte in tempo sono alcune delle tecniche in cui l’utilizzo della radiazione XFEL apre nuove possibilità di indagine agli stati transienti della materia permettendo la ricostruzione della dinamica di processi chimico –fisici su intervalli temporali finora inaccessibili .