Prototipo di schermo adattativo basato su Android e Bluetooth Low Energy

La tesi nasce da un'attività di ricerca approfondita su alcune tecnologie innovative e all'avanguardia nell'ambito del mobile computing e dell'Internet of Things. Tra queste il focus principale è orientato allo studio del Bluetooth Low Energy, nuova specifica di Bluetooth caratterizzata principalmente da un consumo di energia assai ridotto. In particolare, si è approfondito il suo funzionamento nel caso dei beacon, piccoli dispositivi che permettono una localizzazione mediante l'invio di un segnale BLE. Inoltre è stata analizzata la possibilità di interazione con Android, poiché oggigiorno non si può evitare di pensare a come queste tecnologie possano interfacciarsi con il mondo degli smartphone e dei tablet. Come conseguenza di tale attività di ricerca è stato analizzato un caso di studio che permettesse di applicare le tecnologie studiate e la loro interazione. Si è pensato quindi a un piccolo sistema distribuito per schermi adattativi (capaci di modificare i contenuti visualizzati in relazione ad eventi esterni) affinché ogni schermo mostrasse dinamicamente l'orario delle lezioni di ciascuno studente all'avvicinarsi di quest'ultimo, e solo per il tempo di permanenza nei pressi dello schermo. Si è quindi progettato e sviluppato un prototipo, e infine durante il testing si sono potute verificare le attuali potenzialità di queste tecnologie e trarre conclusioni sulla possibilità della loro futura diffusione e di impiego in contesti differenti.

Computazione Embodied e Disembodied: Cloud-based IoT

La tesi esplora la co-esistenza di computazioni embodied e disembodied nei moderni sistemi software, adottando come caso di studio il recente trend che vede sempre più coesi e integrati sistemi per l'Internet of Things e sistemi Cloud-based. Si analizzano i principali modelli di comunicazione, protocolli di comunicazione e architetture situate. Inoltre si realizza una piattaforma IoT Middleware cloud-based per mostrare come la computazione possa essere distribuita lato embodied e disembodied.

Neural Network based Non Orthogonal Random Access for 6G NTN-IoT

Pervasive and distributed Internet of Things (IoT) devices demand ubiquitous coverage beyond No-man’s land. To satisfy plethora of IoT devices with resilient connectivity, Non-Terrestrial Networks (NTN) will be pivotal to assist and complement terrestrial systems. In a massiveMTC scenario over NTN, characterized by sporadic uplink data reports, all the terminals within a satellite beam shall be served during the short visibility window of the flying platform, thus generating congestion due to simultaneous access attempts of IoT devices on the same radio resource. The more terminals collide, the more average-time it takes to complete an access which is due to the decreased number of successful attempts caused by Back-off commands of legacy methods. A possible countermeasure is represented by Non-Orthogonal Multiple Access scheme, which requires the knowledge of the number of superimposed NPRACH preambles. This work addresses this problem by proposing a Neural Network (NN) algorithm to cope with the uncoordinated random access performed by a prodigious number of Narrowband-IoT devices. Our proposed method classifies the number of colliding users, and for each estimates the Time of Arrival (ToA). The performance assessment, under Line of Sight (LoS) and Non-LoS conditions in sub-urban environments with two different satellite configurations, shows significant benefits of the proposed NN algorithm with respect to traditional methods for the ToA estimation.

Integration of a simulation platform for electrical mobility within the arrowhead interoperability framework

This dissertation document deals with the development of a project, over a span of more than two years, carried out within the scope of the Arrowhead Framework and which bears my personal contribution in several sections. The final part of the project took place during a visiting period at the university of Luleå. The Arrowhead Project is an European project, belonging to the ARTEMIS association, which aims to foster new technologies and unify the access to them into an unique framework. Such technologies include the Internet of Things phe- nomenon, Smart Houses, Electrical Mobility and renewable energy production. An application is considered compliant with such framework when it respects the Service Oriented Architecture paradigm and it is able to interact with a set of defined components called Arrowhead Core Services. My personal contribution to this project is given by the development of several user-friendly API, published in the project's main repository, and the integration of a legacy system within the Arrowhead Framework. The implementation of this legacy system was initiated by me in 2012 and, after many improvements carried out by several developers in UniBO, it has been again significantly modified this year in order to achieve compatibility. The system consists of a simulation of an urban scenario where a certain amount of electrical vehicles are traveling along their specified routes. The vehicles are con-suming their battery and, thus, need to recharge at the charging stations. The electrical vehicles need to use a reservation mechanism to be able to recharge and avoid waiting lines, due to the long recharge process. The integration with the above mentioned framework consists in the publication of the services that the system provides to the end users through the instantiation of several Arrowhead Service Producers, together with a demo Arrowhead- compliant client application able to consume such services.

Internet dei veicoli, un nuovo paradigma per una mobilità intelligente e autonoma

Grazie al continuo affinamento dell'elettronica di consumo e delle tecnologie di telecomunicazione, ad oggi sempre più "cose" sono dotate di capacità sensoriali, computazionali e comunicative, si parla così di Internet delle cose e di oggetti "smart". Lo scopo di questo elaborato è quello di approfondire e illustrare questo nuovo paradigma nell'ambito dell'automotive, evidenziandone caratteristiche, potenzialità e limiti. Ci riferiremo quindi più specificatamente al concetto di Internet dei veicoli per una gestione ottimale della mobilità su strada. Parleremo di questa tecnologia non solo per il supporto che può dare alla guida manuale, ma anche in funzione del concetto di guida autonoma, di come quest'ultima beneficerà di un'interconnessione capillare di tutti gli utenti, i veicoli e le infrastrutture presenti sulla strada, il tutto in un'ottica cooperativa. Illustreremo quali sono le principali sfide per raggiungere uno scenario del genere e quali potrebbero essere le implicazioni più rilevanti.

PycoTCP: Una libreria Python per l'Internet of Threads

Grazie all'evoluzione dei servizi di rete indirizzare le interfacce di rete come se fossero i veri destinatari delle comunicazioni è diventato obsoleto. Per questo è nato il concetto di Internet of Threads, in cui gli indirizzi IP sono assegnati ad ogni processo in esecuzione nel computer mediante una rete ethernet virtuale. Attualmente esistono progetti che forniscono la gestione della rete virtuale e librerie che forniscono lo stack TCP/IP da integrare all'interno dei propri programmi. Queste librerie richiedono però la modifica e ricompilazione del proprio codice, anche a causa della loro interfaccia differente dai Berkeley Socket. Attraverso PycoTCP è possibile sperimentare all'interno di un ambiente IoTh senza riscrivere il proprio codice. Inoltre unifica le API fornite dalle librerie sottostanti esponendo una interfaccia identica a quella standard del Python, in modo che non sia necessario imparare un altro metodo di programmazione per utilizzare il nuovo paradigma.

Ray-tracing assessment of the robustness of Physical Layer Security key generation protocol

Nowadays, information security is a very important topic. In particular, wireless networks are experiencing an ongoing widespread diffusion, also thanks the increasing number of Internet Of Things devices, which generate and transmit a lot of data: protecting wireless communications is of fundamental importance, possibly through an easy but secure method. Physical Layer Security is an umbrella of techniques that leverages the characteristic of the wireless channel to generate security for the transmission. In particular, the Physical Layer based-Key generation aims at allowing two users to generate a random symmetric keys in an autonomous way, hence without the aid of a trusted third entity. Physical Layer based-Key generation relies on observations of the wireless channel, from which harvesting entropy: however, an attacker might possesses a channel simulator, for example a Ray Tracing simulator, to replicate the channel between the legitimate users, in order to guess the secret key and break the security of the communication. This thesis work is focused on the possibility to carry out a so called Ray Tracing attack: the method utilized for the assessment consist of a set of channel measurements, in different channel conditions, that are then compared with the simulated channel from the ray tracing, to compute the mutual information between the measurements and simulations. Furthermore, it is also presented the possibility of using the Ray Tracing as a tool to evaluate the impact of channel parameters (e.g. the bandwidth or the directivity of the antenna) on the Physical Layer based-Key generation. The measurements have been carried out at the Barkhausen Institut gGmbH in Dresden (GE), in the framework of the existing cooperation agreement between BI and the Dept. of Electrical, Electronics and Information Engineering "G. Marconi" (DEI) at the University of Bologna.

An Image Recognition Software for Identification of Vehicle Homologation Tags

In recent years, we have witnessed great changes in the industrial environment as a result of the innovations introduced by Industry 4.0, especially in the integration of Internet of Things, Automation and Robotics in the manufacturing field. The project presented in this thesis lies within this innovation context and describes the implementation of an Image Recognition application focused on the automotive field. The project aims at helping the supply chain operator to perform an effective and efficient check of the homologation tags present on vehicles. The user contribution consists in taking a picture of the tag and the application will automatically, exploiting Amazon Web Services, return the result of the control about the correctness of the tag, the correct positioning within the vehicle and the presence of faults or defects on the tag. To implement this application we ombined two IoT platforms widely used in industrial field: Amazon Web Services(AWS) and ThingWorx. AWS exploits Convolutional Neural Networks to perform Text Detection and Image Recognition, while PTC ThingWorx manages the user interface and the data manipulation.

Satellite IoT: a Study and Performance Analysis of GEO and LEO Systems

The study is divided into two main part: one focused on the GEO Satellite IoT and the other on the LEO Satellite IoT. Concerning the GEO Satellite IoT, the activity has been developed in the context of EUMETSAT Data Collection Service (DCS) by investigating the performance at the receiver within challenging scenarios. DCS are provided by several GEO Satellite operators, giving almost total coverage around the world. In this study firstly an overview of the DCS end-to-end architecture is given followed by a detailed description of both the tools used for the simulations: the DCP-TST (message generator and transmitter) and the DCP-RX (receiver). After generating several test messages, the performances have been evaluated with the addition of impairments (CW and sweeping interferences) and considerations in terms of BER and Good Messages are produced. Furthermore, a study on the PLL System is also conducted together with evaluations on the effectiveness of tuning the PLL Bw on the overall performance. Concerning the LEO Satellite IoT, the activity was carried out in the framework of the ASI Bidirectional IoT Satellite Service (BISS) Project. The elaborate covers a survey about the possible services that the project can accomplish and a technical analysis on the uplink MA. In particular, the LR-FHSS is proved to be a valid alternative for the uplink through an extensive analysis on its Network capacity and through the study of an analytic model for Success Probability with its Matlab implementation.

Development of a health parameters tracking wearable device for detection of stress episodes and principles of panic attacks

A proof of concept for a wearable device is presented to help patients who suffer from panic attacks due to panic disorder. The aim of this device is to enable such patients manage these stressful episodes by guiding them to regulate their breathing and by informing the care taker. Panic attack prediction is deployed that can enable the healthcare providers to not only monitor and manage the panic attacks of a patient but also carry out an early intervention to reduce the symptom severity of the approaching panic attack. The patient can acquire the help they need, ultimately regaining control. The concept of panic attack prediction can lead to a personalized treatment of the patient. The study is conducted using a small real-world dataset, and only two primary symptoms of panic attack are used. These symptoms include pacing heart rate and hyperventilation or abnormal breathing rate. This thesis project is developed in collaboration with ALTEN italia and all the required hardware is provided by them.

Un framework per applicazioni di monitoraggio e domotica basato su tecnologie android e arduino

Questa tesi tratta dello sviluppo di un progetto chiamato Faxa e di una sua concreta applicazione nell’ambito della domotica (CasaDomotica). Faxa è un framework per la comunicazione via wireless tra dispositivi che supportano il sistema operativo Android e dispositivi Arduino Ethernet, comunicazione che avviene localmente attraverso il wi-fi. Il progetto si inserisce nel panorama più ampio chiamato “Internet of Things”, ovvero internet delle cose, dove ogni oggetto di uso domestico è collegato ad Internet e può essere quindi manipolato attraverso la rete in modo da realizzare una vera e propria “smart house”; perchè ciò si attui occorre sviluppare applicazioni semplici e alla portata di tutti. Il mio contributo comincia con la realizzazione del framework Faxa, così da fornire un supporto semplice e veloce per comporre programmi per Arduino e Android, sfruttando metodi ad alto livello. Il framework è sviluppato su due fronti: sul lato Android è composto sia da funzioni di alto livello, necessarie ad inviare ordini e messaggi all'Arduino, sia da un demone per Android; sul lato Arduino è composto dalla libreria, per inviare e ricevere messaggi. Per Arduino: sfruttando le librerie Faxa ho redatto un programma chiamato “BroadcastPin”. Questo programma invia costantemente sulla rete i dati dei sensori e controlla se ci sono ordini in ricezione. Il demone chiamato “GetItNow” è una applicazione che lavora costantemente in background. Il suo compito è memorizzare tutti i dati contenuti nei file xml inviati da Arduino. Tali dati corrispondono ai valori dei sensori connessi al dispositivo. I dati sono salvati in un database pubblico, potenzialmente accessibili a tutte le applicazioni presenti sul dispositivo mobile. Sul framework Faxa e grazie al demone “GetItNow” ho implementato “CasaDomotica”, un programma dimostrativo pensato per Android in grado di interoperare con apparecchi elettrici collegati ad un Arduino Ethernet, impiegando un’interfaccia video semplice e veloce. L’utente gestisce l’interfaccia per mezzo di parole chiave, a scelta comandi vocali o digitali, e con essa può accendere e spegnere luci, regolare ventilatori, attuare la rilevazione di temperatura e luminosità degli ambienti o quanto altro sia necessario. Il tutto semplicemente connettendo gli apparecchi all’Arduino e adattando il dispositivo mobile con pochi passi a comunicare con gli elettrodomestici.

Un'applicazione mobile per controllo e monitoraggio della qualità dell'acqua di una piscina

Questo elaborato ha come argomento lo sviluppo di un progetto informatico creato per mettere in comunicazione tra di loro un sistema di gestione e controllo del ricambio di acqua in una piscina e un dispositivo mobile. Per la realizzazione del sistema di controllo è stata utilizzata una scheda Arduino Mega 2560 munita di modulo Ethernet, mentre, per quello che concerne il dispositivo mobile, la scelta è ricaduta su un device dotato di sistema operativo Android. La comunicazione tra questi due attori è mediata attraverso un server scritto in Java che gira nella stessa rete locale in cui è presente la scheda Arduino. Il progetto può essere inserito nell'ambito dell'Internet of Things, dove ogni oggetto è caratterizzato dalla possibilità di connettersi ad Internet e scambiare informazioni con ogni altro oggetto creando una rete. Questo progetto è suddiviso in tre parti: la prima si occupa della definizione di due protocolli di comunicazione tra le varie componenti, uno per lo scambio di messaggi tra client Android e Server Java e un secondo per quello tra scheda Arduino e Server; la seconda parte è incentrata sulla realizzazione del server Java che rende accessibile la scheda da qualsiasi luogo e permette la raccolta dei dati rilevanti provenienti dalla centralina. L’ultima parte infine è quella relativa allo sviluppo di una applicazione per Android che permette di monitorare il tutto e interagire con la centralina stessa.

Midi networking: Metodologie di interconnessione di strumenti musicali tramite reti fisiche e virtuali

Il lavoro che si presenta ha la principale funzione di proporre un metodo di interconnessione di strumenti musicali digitali che utilizzi i più comuni protocolli e strumenti hardware di rete. Nell'ottica di Internet of Things, si vuole rendere MIDI un sotto-protocollo di rete.

Progettazione e realizzazione di uno smart distributed system per il controllo degli accessi in ambito aziendale

Il lavoro svolto è dedicato alla realizzazione ed implementazione di un sistema distribuito "smart" per il controllo degli accessi. Il progetto sviluppato è inquadrato nel contesto di "SPOT Software", che necessita di migliorare il processo aziendale di controllo accessi e gestione presenze al fine di aumentarne usabilità ed efficienza. Saranno affrontate in generale le tematiche di Internet of Things, Smart Building, Smart City e sistemi embedded, approfondendo il ruolo delle tecnologie di comunicazione NFC e BLE, al centro di questo lavoro. Successivamente sarà discussa la progettazione di ognuno dei tre nodi del sistema, motivando le scelte tecnologiche e progettuali: Web application, Smart device e Smartphone app.