Sviluppo e sperimentazione di sensori per il monitoraggio della qualità dell'aria

Individuare e conoscere la natura degli inquinanti atmosferici e disporre dei dati delle emissioni sono azioni fondamentali per formulare politiche ambientali incentrate sul miglioramento della qualità dell'aria e monitorarne l'efficacia. Sorge l'esigenza di un controllo costante della qualità dell'aria, processo che avviene utilizzando delle centraline di monitoraggio fisse sparse nelle vie delle maggiori città o nei pressi dei principali insediamenti industriali. Lo scopo di questo progetto è quello di realizzare una stazione di monitoraggio mobile al fine di aumentare la superficie di controllo, realizzando un oggetto dinamico capace di acquisire dati sull'inquinamento. Questo è stato fatto applicando ad un drone un sistema di sensori capaci di rilevare le variazioni dei livelli di concentrazione degli agenti inquinanti. Ciò permette di eliminare le stazioni di monitoraggio fisse, le quali rappresentano una spesa ingente. Inoltre, attraverso l'utilizzo di un drone, è possibile monitorare siti più vasti, permettendo un monitoraggio costante e ripetuto nel tempo. La prima parte dell'elaborato analizza il sistema Embedded utilizzato per l'acquisizione dei dati, concentrando l'attenzione prevalentemente sui moduli utilizzati. La seconda descrive quali sono i primi passi per cominciare ad utilizzare i sensori posti sulla Gases Board 2.0 e risponde ai dubbi più comuni su quali parametri di configurazione adottare per un avere una risposta adeguata, quale processo di calibrazione seguire o come trasformare i dati acquisiti, espressi in tensioni, in valori di concentrazione di gas. La terza parte illustra i test effettuati per verificare il corretto funzionamento del sistema completo, con l’esposizione delle problematiche individuate, e una presentazione delle alternative più valide per superarle.

Confronto tra Bluetooth classic e Bluetooth low energy nelle comunicazioni tra sensori inerziali e dispositivi mobili in applicazioni biomeccaniche in ambito medico e sportivo

In questo elaborato sono stati confrontati i moduli bluetooth WT11, BLE113 , BT121 rispetto alle loro caratteristiche di banda, consumo, range e utilizzabilita in un contesto applicativo stringente come quello degli utilizzi biomeccanici. Si sono prima elencati i settori di riferimento, per poi descrivere il contesto applicativo in ambito medico e sportivo. Il confronto finale ha tenuto conto delle modalita di comunicazione bluetooth classic e bluetooth low energy, cercando di motivare quale modulo risulti migliore per questo particolare e innovativo contesto.

Rilievi cinematici continui condotti con sensori a basso costo

Nel qui presente elaborato vengono descritte le principali caratteristiche del sistema di posizionamento GPS e le tecniche di rilievo. Particolare attenzione viene posta al rilievo cinematico continuo con sensori a basso costo (Ublox EVK 7P). Inotre verra descritta nel dettaglio la strumentazione atta ad acquisire il segnale, e la relativa preparazione. In particolare i dati acquisiti dalla strumentazione verranno elaborati con appositi software, dai quali si otterranno diverse soluzioni. Di seguito sara presente anche la procedura di elaborazione dei dati registrati. In fine le soluzioni ottenute saranno oggetto di confronto.

Utilizzo di sensori a basso costo per la localizzazione indoor

I sistemi di localizzazione, negli ultimi anni, sono stati oggetto di numerose ricerche a livello internazionale.Gli sviluppi più importanti hanno avuto inizio nell’ambito stradale con sistemi di navigazione e localizzazione, possibili grazie alle forti capacità del GPS.Infatti il GPS indica l’intero apparato che permette il funzionamento della maggior parte dei navigatori disponibili in commercio, che, però, non sono utilizzabili in ambito indoor, in quanto la ricezione del segnale proveniente dai satelliti GPS diventa scarsa o pressoché nulla. In questo senso, la localizzazione risulta rilevante nel caso di indoor positioning, ossia quando utenti hanno bisogno di conoscere la propria posizione e quella degli altri membri della squadra di soccorso all’interno di un edificio come, ad esempio, i vigili del fuoco durante un’operazione di salvataggio. Sono questi fattori che portano all’idea della creazione di un sistema di localizzazione indoor basato su smartphone o una qualsiasi altra piattaforma disponibile. Tra le diverse tecnologie e architetture legate al posizionamento indoor/outdoor e inerziale, con questa tesi, si vuole esporre la foot-mounted inertial navigation, un sistema che permette di conoscere la propria posizione, sia all’interno di edifici,sia in campi aperti, tramite l’utilizzo di una rete wireless o GPS e l’aiuto di sensori a basso costo.Tuttavia per conoscere la stima ottimale della posizione, della velocità e dell’orientamento corrente di un utente dotato di sensori sarà necessaria l’integrazione di diversi algoritmi, che permettono di modellare e stimare errori o di conoscere e predire la posizione futura dello stesso. Gli scopi principali di questo lavoro sono: 1)Tracciare i movimenti di un utente usando diversi sensori per ottenere una stima ottimale della posizione dello stesso; 2)Localizzare l’utente in 3 dimensioni con precisione; 3)Ottenere una transizione senza interruzioni per un posizionamento continuo tra aree indoor e outdoor;

Sviluppo di una interfaccia per l'integrazione della piattaforma inerziale X-Nucleo con una rete di sensori wireless

Questo elaborato presenta il progetto di una interfaccia per l'aggiunta di sensori inerziali ad un nodo di una WSN (Wireless Sensor Network) �finalizzato al monitoraggio delle frane. Analizzando i vantaggi che avrebbe portato l'utilizzo di ulteriori sensori, si �e cercato di fornire un valido approccio di progettazione; in particolare l'idea �e quella di integrarli con un giroscopio ed un accelerometro aventi applicazioni in altri settori. Con questo particolare utilizzo, essi possono portare ad un miglior monitoraggio riuscendo a rilevare i movimenti in modo dettagliato ed a riconoscere i falsi allarmi. Nell'approccio che si intende suggerire verranno sfruttate schede per la prototipazione rapida, user-friendly e con costi decisamente accessibili, adatte alla sperimentazione elettronica e per lo sviluppo di nuovi dispositivi. Attraverso l'utilizzo di ambienti di sviluppo appositamente creati, si sono simulate le comunicazioni tra nodo e scheda di sensori, mettendo in evidenza i vantaggi ottenuti. Buona parte del progetto ha riguardato la programmazione in linguaggio C/C++, con una particolare attenzione al risparmio energetico.

Stima delle forze di reazione piede-suolo durante la corsa tramite sensori inerziali

Per investigare i carichi sopportati dal corpo nella vita di tutti i giorni, è neccesario un metodo semplice per la stima delle forze di reazione piede-suolo (GRFs) . In questo studio viene presentato un modello per stimare l’andamento delle GRFs durante la corsa, a partire dalle accelerazioni misurate tramite sensori inerziali. I due soggetti che hanno partecipato all’esperimento hanno corso a 4 diverse velocità predefinite e indossato cinque sensori: uno su pelvi, due su tibia (destra e sinistra) e due su piede (destro e sinitro). A partire dai dati ottenuti è stato elaborato un modello che stima l’andamento delle GRFs (verticali e anteroposteriori) e i tempi di contatto e volo del passo tramite l’accelerazione assiale tibiale. Per la stima delle forze di reazione viene utilizzato un modello di stima basato sui tempi di contatto e volo, unito ad un modello che prevede la presenza o meno e il modulo degli impact peak sfruttando due picchi negativi individuati nelle accelerazioni assiali tibiali. Sono state utilizzate due pedane di carico come gold standard per valutare la qualità delle stime ottenute. Il modello prevede correttamente la presenza dell'impact peak nell'85% dei casi, con un errore sul modulo compreso fra il 6% e il 9%. Le GRFs verticali massime vengono approssimate con un errore fra l'1% e 5%, mentre le GRFs antero-posteriori con un errore fra l'8% e il 14% del range massimo-minimo del segnale.

Progetto e sviluppo di un middleware per l’interfacciamento di sensori per la domotica in ambiente Java

La diffusione di soluzioni domotiche dipende da tecnologie abilitanti che supportino la comunicazione tra i numerosi agenti delle reti. L’obiettivo della tesi è progettare e realizzare un middleware per sensori distribuiti Java-based chiamato SensorNetwork, che permetta ad un agente domotico di effettuare sensing sull’ambiente. Le funzionalità principali del sistema sono uniformità di accesso a sensori eterogenei distribuiti, alto livello di automazione (autoconfigurazione e autodiscovery dei nodi), configurazione a deployment time, modularità, semplicità di utilizzo ed estensione con nuovi sensori. Il sistema realizzato è basato su un’architettura a componente-container che permette l’utilizzo di sensori all’interno di stazioni di sensori e che supporti l’accesso remoto per mezzo di un servizio di naming definito ad-hoc.

Progetto e sviluppo di una libreria tuProlog per l’interfacciamento di sensori in contesti di pervasive computing

Il termine pervasive computing incarna l’idea di andare oltre il paradigma dei personal computers: è l’idea che qualsiasi device possa essere tecnologizzato ed interconnesso con un network distribuito, costituendo un nuovo modello di interazione uomo-macchina. All’interno di questo paradigma gioca un ruolo fondamentale il concetto di context-awareness, che fa riferimento all’idea che i computer possano raccogliere dati dall’ambiente circostante e reagire in maniera intelligente e proattiva basandosi su di essi. Un sistema siffatto necessita da un lato di una infrastruttura per la raccolta dei dati dall’ambiente, dall'altro di un supporto per la componente intelligente e reattiva. In tale scenario, questa tesi ha l'obiettivo di progettare e realizzare una libreria per l'interfacciamento di un sistema distribuito di sensori Java-based con l’interprete tuProlog, un sistema Prolog leggero e configurabile, scritto anch'esso in Java ma disponibile per una pluralità di piattaforme, in modo da porre le basi per la costruzione di sistemi context-aware in questo ambiente.

Miglioramento della qualità di immagini acquisite da sensori OV7670

Tramite l'ausilio della development board prodotta dalla Xilinx e denominata ZedBoard, è stato utilizzato il protocollo I2C per effetuare una configurazione dei registri interni del sensore OV7670 al fine di migliorare la qualità delle immagini acquisite.

Detezione dei parametri temporali tramite sensori inerziali nello sprint: ottimizzazione e confronto di algoritmi proposti in letteratura per la corsa

In questo studio sono stati analizzati ed ottimizzati alcuni algoritmi proposti in letteratura per la detezione dei parametri temporali della corsa, con l'obiettivo di determinare quale, fra quelli proposti, sia il più affidabile per il suo utilizzo nell'analisi dello sprint. Per fare ciò, sono state condotte delle acquisizioni outdoor su cinque atleti differenti, utilizzando tre sensori inerziali IMU EXL-s3 (EXEL S.r.l., Bologna) con frequenza di acquisizione a 200 Hz, posizionati sul dorso dei due piedi e sul tronco (schiena, livello L1). Gli algoritmi confrontati sono stati sviluppati in ambiente MATLAB (MathWorks Inc., USA) e sono stati riferiti al gold standard di telecamera a 250 fps analizzando, per ciascuno, i limits of agreement. L'algoritmo implementato da Bergamini et al. (si veda l'articolo 'Estimation of temporal parameters during sprint running using a trunk-mounted inertial measurement unit') è risultato il migliore, con un bias di circa 0.005 s e limits of agreement entro gli 0.025 s fra i dati da sensore e il riferimento video, dati questi che confermano anche i risultati ottenuti da Bergamini et al.

Realizzazione di sensori di posizione attraverso integrazione di fibre coassiali allineate

Il seguente elaborato presenta le varie fasi della realizzazione di sensori di posizione attraverso l'integrazione di fibre coassiali piezoelettriche allineate. Grazie all'effetto piezoelettrico diretto, un sensore piezoelettrico è in grado di rilevare l'esatta posizione della sollecitazione meccanica, confrontando le varie differenze di potenziale rilevate dagli elettrodi.

Valutazione cinematica 3D di un test per il ritorno allo sport post-lesione di legamento crociato anteriore: confronto tra sistema optoelettronico e sensori indossabili

I sistemi di analisi del movimento sono in continua espansione e vengono sempre maggiormente utilizzati in ambito sportivo e riabilitativo. In particolare, la valutazione delle lesioni di LCA è, attualmente, affidata a procedure classiche, oltre che a strumenti analitici Gold Standard come il sistema optoelettronico. L’utilizzo dei sensori inerziali per l’analisi del movimento è in notevole aumento e sempre più utilizzato anche negli ambiti descritti. Tuttavia, è da valutare l’accuratezza di tali sistemi nell’esecuzione di gesti complessi ad alta dinamica. L’obiettivo del presente elaborato è stato quello di validare un sistema di sensori inerziali tramite uno optoelettronico, per lo svolgimento di specifici task motori in un’ottica di prevenzione dell’infortunio al LCA. Sono stati valutati 30 soggetti sani, attraverso l’utilizzo sincrono di due tecnologie: il sistema optoelettronico Vicon e il sistema inerziale Xsens. I movimenti svolti dai soggetti rientravano in un protocollo per la prevenzione del LCA, sviluppato presso il centro Isokinetic, il quale comprende 6 task ad elevata dinamica, ricorrenti negli sport maggiori. Si è evinta un’ottima correlazione e basso errore per tutti gli angoli articolari analizzati sul piano sagittale, una buona correlazione sul piano frontale per la maggior parte degli angoli (esclusi caviglia e pelvi), ed una minore riproducibilità sul piano trasverso, in particolare negli angoli di caviglia ginocchio e pelvi. I risultati hanno mostrato una scarsa dipendenza dalla tipologia di task analizzato. La tecnologia inerziale ha dimostrato di essere un’ottima alternativa per l’analisi del movimento in task specifici per la valutazione della biomeccanica di LCA. Le discrepanze evinte possono essere riconducibili ai diversi protocolli cinematici utilizzati ed al posizionamento dei markers. Evoluzioni della tecnologia potrebbero migliorare la precisione di questi sensori offrendo informazioni ancor più dettagliate dove ora ci sono lacune.

Sensori elettrochimici a base di PEDOT:PSS stampati a getto di inchiostro

Conductive polymers (CPS) are a class of carbon-based materials, capable of conducting electric current, characterized by metallic properties in combination with the intrinsic properties of conventional polymers. The structural model of the CP consists of a system of double π-conjugated on the backbone (polyene structure) which can easily undergo reversible doping reaching a wide range of conductivity. Thanks to their versatility and peculiar properties (mechanical flexibility, biocompatibility, transparency, ease of chemical functionalization, high thermal stability), CPS have revolutionized the science of materials giving rise to Organic Bioelectronics, the discipline resulting from the convergence between biology and electronics. The Poly (3,4-ethylenedioxythiophene) : poly (styrenesulfonate) (PEDOT: PSS), complex polyelectrolyte, in the form of a thin film, currently represents the reference standard in applications concerning Bioelectronics. In this project, two types of electrochemical sensors ink-jet printed on a flexible polymeric substrate, the polyethylene terephthalate, have been developed and characterized. The Drop on Demand (DOD) inkjet technology has allowed to control the positioning of fluid volumes of the order of picoliters with an accuracy of ± 25μm. This resulted in the creation of amperometric sensors and organic electrochemical transistors (OECT) all-PEDOT: PSS with high reproducibility. The sensors have been used for the determination of Ascorbic Acid (AA) which is currently considered an important benchmark in the field of sensors. In Cyclic Voltammetry, the amperometric sensor has detected AA at potentials less than 0.2 V vs. SCE thanks to the electrocatalytic properties of the PEDOT: PSS. On the other hand, the OECT detected AA concentrations equal to 10 nanomolar in Chronoamperometry. Furthermore, a promising new generation of all-printed OECTS, consisting of silver metal contacts, has been created. Preliminary results are presented.

Progettazione, realizzazione e caratterizzazione sperimentale di sensori capacitivi a fluido dielettrico.

Ad oggi, misurare grandezze fisiche in maniera pratica, distribuita e sostenibile è di grande importanza al fine di poter attivare strategie di digitalizzazione di qualsiasi applicazione: da quelle industriali con robotica collaborativa, fino alla domotica o tecnologia indossabile. La sfida di oggi consiste nel poter creare dei sensori che possano abilitare questi contesti, risultando efficienti, a basso consumo energetico e sostenibili in termini di materiali e componenti utilizzati. L’obiettivo della tesi è infatti quello di valutare una classe innovativa di sensori con principio di funzionamento capacitivo che risultino facili da progettare, fabbricare ed utilizzare. Nello specifico, due tipologie di sensore sono state sviluppate: uno per la misura di forza, l’altro per la misura angolare. Entrambi i dispositivi sono stati realizzati con materiale elastomerico a base di silicone, accoppiato con elettrodi conformi, in un sistema capacitivo deformabile. All’interno di questi sistemi, sono state ricavate delle camere per il contenimento di un fluido dielettrico al fine di poter monitorare lo spostamento del fluido per la misura capacitiva. La tesi riporta le linee guida principali per la progettazione di sensori che utilizzino componenti elastomerici sia conduttori che dielettrici, in combinazione con un fluido per una misura capacitiva. Successivamente, sono riportati tutti gli step di fabbricazione delle due architetture di sensore realizzate, discutendo i vari passaggi ed elencando i materiali utilizzati. Infine, le performance dei due sensori sono valutate sulla base dei risultati di una campagna sperimentale dedicata, eseguita su due setup di banco prova distinti progettati per testare la forza applicata per il primo sensore, e l’angolo di inclinazione per il secondo. Nelle conclusioni viene riportata la valutazione dell’efficienza di questi due sensori, insieme alle evoluzioni future per rendere questa proposta tecnologica affidabile e ad alte prestazioni.

Caratterizzazione del controllo motorio tramite sensori inerziali in una popolazione di bambini con scoliosi idiopatica

Lo scopo del presente lavoro di tesi sperimentale è stato quello di caratterizzare il controllo motorio di bambini affetti da scoliosi idiopatica e di valutarne le alterazioni rispetto ad una popolazione a sviluppo tipico dello stesso range di età. La caratterizzazione è avvenuta grazie ad un approccio basato su sensori indossabili, che ha consentito di estrarre e quantificare un gruppo di metriche che includono parametri temporali del cammino, la loro variabilità e le metriche non lineari (RQA, MSE, HR). Queste ultime sono state estrapolate mediante l'elaborazione dei segnali provenienti dai sensori applicati su caviglie e tronco dei singoli soggetti. L'implementazione degli script utili è avvenuta mediante il software Matlab. I risultati suggeriscono che la scoliosi idiopatica influisca sul controllo motorio dei pazienti scoliotici e ciò si traduce in un cammino più lento, meno stabile e meno maturo, denotato da un’asimmetria temporale ma anche da un’asimmetria con pendolazione destrutturata.