A novel approach to Non-Orthogonal Random Access with application to NB-IoT NTN systems

In the Massive IoT vision, millions of devices need to be connected to the Internet through a wireless access technology. However, current IoT-focused standards are not fully prepared for this future. In this thesis, a novel approach to Non-Orthogonal techniques for Random Access, which is the main bottleneck in high density systems, is proposed. First, the most popular wireless access standards are presented, with a focus on Narrowband-IoT. Then, the Random Access procedure as implemented in NB-IoT is analyzed. The Non-Orthogonal Random Access technique is presented next, along with two potential algorithms for the detection of non-orthogonal preambles. Finally, the performance of the proposed solutions are obtained through numerical simulations.

Random Access Procedures in 5G IoT via NTN: System level performances

The Internet of Things (IoT) is a critical pillar in the digital transformation because it enables interaction with the physical world through remote sensing and actuation. Owing to the advancements in wireless technology, we now have the opportunity of using their features to the best of our abilities and improve over the current situation. Indeed, the Internet of Things market is expanding at an exponential rate, with devices such as alarms and detectors, smart metres, trackers, and wearables being used on a global scale for automotive and agriculture, environment monitoring, infrastructure surveillance and management, healthcare, energy and utilities, logistics, good tracking, and so on. The Third Generation Partnership Project (3GPP) acknowledged the importance of IoT by introducing new features to support it. In particular, in Rel.13, the 3GPP introduced the so-called IoT to support Low Power Wide Area Networks (LPWAN).As these devices will be distributed in areas where terrestrial networks are not feasible or commercially viable, satellite networks will play a complementary role due to their ability to provide global connectivity via their large footprint size and short service deployment time. In this context, the goal of this thesis is to investigate the viability of integrating IoT technology with satellite communication (SatCom) systems, with a focus on the Random Access(RA) Procedure. Indeed, the RA is the most critical procedure because it allows the UE to achieve uplink synchronisation, obtain the permanent ID, and obtain uplink transmission resources. The goal of this thesis is to evaluate preamble detection in the SatCom environment.

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.

Towards a Smart Campus Digital Twin: Promoting Awareness and Sustainability Through Wayfinding and Real-Time Environmental Data

The newly inaugurated Navile District of the University of Bologna is a complex created along the Navile canal, that now houses various teaching and research activities for the disciplines of Chemistry, Industrial Chemistry, Pharmacy, Biotechnology and Astronomy. A Building Information Modeling system (BIM) gives staff of the Navile campus several ways to monitor buildings in the complex throughout their life cycle, one of which is the ability to access real-time environmental data such as room temperature, humidity, air composition, and more, thereby simplifying operations like finding faults and optimizing environmental resource usage. But smart features at Navile are not only available to the staff: AlmaMap Navile is a web application, whose development is documented in this thesis, that powers the public touch kiosks available throughout the campus, offering maps of the district and indications on how to reach buildings and spaces. Even if these two systems, BIM and AlmaMap, don't seem to have many similarities, they share the common intent of promoting awareness for informed decision making in the campus, and they do it while relying on web standards for communication. This opens up interesting possibilities, and is the idea behind AlmaMap Navile 2.0, an app that interfaces with the BIM system and combines real-time sensor data with a comfort calculation algorithm, giving users the ability not just to ask for directions to a space, but also to see its comfort level in advance and, should they want to, check environmental measurements coming from each sensor in a granular manner. The end result is a first step towards building a smart campus Digital Twin, that can support all the people who are part of the campus life in their daily activities, improving their efficiency and satisfaction, giving them the ability to make informed decisions, and promoting awareness and sustainability.

Tecnologie ad agenti e sistemi embedded

Information technology (IT) is on the verge of another revolution. Driven by the increasing capabilities and ever declining costs of computing and communications devices, IT is being embedded into a growing range of physical devices linked together through networks and will become ever more pervasive as the component technologies become smaller, faster, and cheaper. [..] These networked systems of embedded computers, referred to as EmNets throughout this report, have the potential to change radically the way people interact with their environment by linking together a range of devices and sensors that will allow information to be collected, shared, and processed in unprecedented ways.[..] The use of EmNets throughout society could well dwarf previous milestones in the information revolution.[..] IT will eventually become \textbf{an invisible component of almost everything} in everyone`s surroundings. Con il ridursi dei costi e l'aumentare della capacità di computazione dei componenti elettronici sono proliferate piattaforme che permettono al bambino come all'ingegnere di sviluppare un'idea che trasversalmente taglia il mondo reale e quello virtuale. Una collisione tra due mondi che fino a poco tempo fa era consentita esclusivamente a professionisti. Oggetti che possono acquisire o estendere funzionalità, che ci permettono di estendere la nostra percezione del mondo e di rivalutarne i suoi limiti. Oggetti connessi alla 'rete delle reti' che condividono ed elaborano dati per un nuovo utilizzo delle informazioni. Con questa tesi si vuole andare ad esplorare l'applicazione degli agenti software alle nuove piattaforme dei sistemi embedded e dell'Internet of Things, tecnologie abbastanza mature eppure non ancora esplorate a fondo. Ha senso modellare un sistema embedded con gli agenti?

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.

Progettazione, caratterizzazione e calibrazione di un sensore di tensione contactless per smart metering

Progettazione di un sistema di misura contactless per la tensione, da integrare in un nodo sensore di una Wireless Sensor Network per Smart Metering Distribuito

Sistemi integrati per la domotica e per il risparmio energetico tramite micro elaboratori su singola scheda e basso costo.

Nella tesi viene presentata una introduzione generale all'Internet of Things, gli utilizzi che ne vengono fatti attualmente e le eventuali modifiche che verranno apportate in futuro, inoltre vengono presentati i problemi che ne derivano e le soluzioni che attualmente risolvono questi problemi. E' presente una introduzione al protocollo presentato da IBM MQTT che attualmente rappresenta uno standard in questo campo. In seguito vengono mostrati i requisiti e le fasi di progettazione di un sistema domotico, quali sono i suoi principali utilizzi quali i vantaggi e i suoi svantaggi. E' presente una introduzione ai dispositivi maggiormente usati per la realizzazione di sistemi del genere, con le loro caratteristiche, in particolare di dispositivi Arduino e Raspberry Pi. Viene mostrato l'uso del protocollo mqtt per la comunicazione tra dispositivi Raspberry Pi e client Android. In fine viene mostrata una realizzazione di un sistema di domotica attraverso l'uso di questo protocollo.

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.

"Pillowe": progettazione e sviluppo di un cuscino intelligente

Progettazione di un cuscino che si occupa di noi e ci aiuta nell'addormentarci attraverso la musica. Il tutto grazie all'aiuto di sensori e dell'Arduino che comunicheranno con lo smartphone per dare un'esperienza flessibile e personalizzabile.

Ideazione di sistemi distribuiti collaborativi basati su realta aumentata mobile: Un caso di studio, con approfondimento relativo al livello della cooperazione

Dall'inizio del nuovo millennio lo sviluppo di tecnologie nel campo del mobile computing, della rete internet, lo sviluppo dell'Internet of things e pure il cloud computing hanno reso possibile l'innovazione dei metodi di lavoro e collaborazione. L'evoluzione del mobile computing e della realtà aumentata che sta avvenendo in tempi più recenti apre potenzialmente nuovi orizzonti nello sviluppo di sistemi distribuiti collaborativi. Esistono oggi diversi framework a supporto della realtà aumentata, Wikitude, Metaio, Layar, ma l'interesse primario di queste librerie è quello di fornire una serie di API fondamentali per il rendering di immagini 3D attraverso i dispositivi, per lo studio dello spazio in cui inserire queste immagini e per il riconoscimento di marker. Questo tipo di funzionalità sono state un grande passo per quanto riguarda la Computer Graphics e la realtà aumentata chiaramente, però aprono la strada ad una Augmented Reality(AR) ancora più aumentata. Questa tesi si propone proprio di presentare l'ideazione, l'analisi, la progettazione e la prototipazione di un sistema distribuito situato a supporto della collaborazione basato su realtà aumentata. Lo studio di questa applicazione vuole mettere in luce molti aspetti innovativi e che ancora oggi non sono stati approfonditi né tanto meno sviluppati come API o forniti da librerie riguardo alla realtà aumentata e alle sue possibili applicazioni.

Un Sistema di Parcheggio Intelligente basato su Context-Awareness

Sistema di segnalazione automatica posti auto su strada. Implementato per Android con tecniche di apprendimento automatico supervisionato e Bluetooth per realizzare un'applicazione Context-Aware.

Applicazioni di tecnologie IoT e wearable alla domotica: un caso di studio

Oggigiorno milioni di persone fanno uso di Internet per gli utilizzi più disparati: dalla ricerca di informazioni sul Web al gioco online; dall'invio e ricezione di email all'uso di applicazioni social e tante altre attività. Mentre milioni di dispositivi ci offrono queste possibilità, un grande passo in avanti sta avvenendo in relazione all'uso di Internet come una piattaforma globale che permetta a oggetti di tutti i giorni di coordinarsi e comunicare tra di loro. È in quest'ottica che nasce Internet of Things, l'Internet delle cose, dove un piccolo oggetto come un braccialetto può avere un grande impatto nel campo medico per il monitoraggio da remoto di parametri vitali o per la localizzazione di pazienti e personale e l'effettuazione di diagnosi da remoto; dove un semplice sensore ad infrarosso può allertarci a distanza di una presenza non autorizzata all'interno della nostra abitazione; dove un'autovettura è in grado di leggere i dati dai sensori distribuiti sulla strada. Questa tesi vuole ripercorrere gli aspetti fondamentali di Internet of Things, dai sistemi embedded fino alla loro applicazione nella vita odierna, illustrando infine un progetto che mostra come alcune tecnologie IoT e wearable possano integrarsi nella domotica, come per esempio l'utilizzo di uno smartwatch, come Apple Watch, per il controllo dell'abitazione.