Progetto di un nodo sensore wireless ultra low-power per applicazioni di energy harvesting

Progetto di un nodo wireless, alimentato attraverso l'Energy Harvesting, in grado di misurare la temperatura ambiente ed inviarla ad un sistema ricevente che la visualizzerà su uno schermo LCD.

Caratterizzazione e progettazione di un sistema di comunicazione con ultra low power long range transceiver

Lo sviluppo di nuove tecnologie sempre più innovative e all’avanguardia ha portato ad un processo di costante rivisitazione e miglioramento di sistemi tecnologici già esistenti. L’esempio di Internet risulta, a questo proposito, interessante da analizzare: strumento quotidiano ormai diventato alla portata di tutti, il suo processo di rivisitazione ha portato allo sviluppo dell’Internet Of Things (IoT), neologismo utilizzato per descrivere l'estensione di Internet a tutto ciò che può essere trasformato in un sistema elettronico, controllato attraverso la rete mondiale che oggi può essere facilmente fruibile grazie all’utilizzo di Smartphone sempre più performanti. Lo scopo di questa grande trasformazione è quello di creare una rete ad-hoc (non necessariamente con un accesso diretto alla rete internet tramite protocolli wired o wireless standard) al fine di stabilire un maggior controllo ed una maggiore sicurezza, alla quale è possibile interfacciare oggetti dotati di opportuni sensori di diverso tipo, in maniera tale da condividere dati e ricevere comandi da un operatore esterno. Un possibile scenario applicativo della tecnologia IoT, è il campo dell'efficienza energetica e degli Smart Meter. La possibilità di modificare i vecchi contatori del gas e dell’acqua, tutt’oggi funzionanti grazie ad una tecnologia che possiamo definire obsoleta, trasformandoli in opportuni sistemi di metring che hanno la capacità di trasmettere alla centrale le letture o i dati del cliente, di eseguire operazioni di chiusura e di apertura del servizio, nonché operazioni sulla valutazione dei consumi, permetterebbe al cliente di avere sotto controllo i consumi giornalieri. Per costruire il sistema di comunicazione si è utilizzato il modem Semtech SX1276, che oltre ad essere low-power, possiede due caratteristiche rivoluzionarie e all’avanguardia: utilizza una modulazione del segnale da trasmettere innovativa e una grande capacità di rilevare segnali immersi in forti fonti di rumore ; la possibilità di utilizzare due frequenze di trasmissione diverse, 169 MHz e 868MHz.

Ultra low power analog-to-information conversion by short-time compressed sensing

Il compressed sensing è un’innovativa tecnica per l’acquisizione dei dati, che mira all'estrazione del solo contenuto informativo intrinseco di un segnale. Ciò si traduce nella possibilità di acquisire informazione direttamente in forma compressa, riducendo la quantità di risorse richieste per tale operazione. In questa tesi è sviluppata un'architettura hardware per l'acquisizione di segnali analogici basata sul compressed sensing, specializzata al campionamento con consumo di potenza ridotto di segnali biomedicali a basse frequenze. Lo studio è svolto a livello di sistema mediante l'integrazione della modulazione richiesta dal compressed sensing in un convertitore analogico-digitale ad approssimazioni successive, modificandone la logica di controllo. Le prestazioni risultanti sono misurate tramite simulazioni numeriche e circuitali. Queste confermano la possibilità di ridurre la complessità hardware del sistema di acquisizione rispetto allo stato dell'arte, senza alterarne le prestazioni.

Implementazione dell'algoritmo filtered back-projection (FBP) per architetture low-power di tipo systems-on-chip

Il presente lavoro di tesi, svolto presso i laboratori dell'X-ray Imaging Group del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell'Università di Bologna e all'interno del progetto della V Commissione Scientifica Nazionale dell'INFN, COSA (Computing on SoC Architectures), ha come obiettivo il porting e l’analisi di un codice di ricostruzione tomografica su architetture GPU installate su System-On-Chip low-power, al fine di sviluppare un metodo portatile, economico e relativamente veloce. Dall'analisi computazionale sono state sviluppate tre diverse versioni del porting in CUDA C: nella prima ci si è limitati a trasporre la parte più onerosa del calcolo sulla scheda grafica, nella seconda si sfrutta la velocità del calcolo matriciale propria del coprocessore (facendo coincidere ogni pixel con una singola unità di calcolo parallelo), mentre la terza è un miglioramento della precedente versione ottimizzata ulteriormente. La terza versione è quella definitiva scelta perché è la più performante sia dal punto di vista del tempo di ricostruzione della singola slice sia a livello di risparmio energetico. Il porting sviluppato è stato confrontato con altre due parallelizzazioni in OpenMP ed MPI. Si è studiato quindi, sia su cluster HPC, sia su cluster SoC low-power (utilizzando in particolare la scheda quad-core Tegra K1), l’efficienza di ogni paradigma in funzione della velocità di calcolo e dell’energia impiegata. La soluzione da noi proposta prevede la combinazione del porting in OpenMP e di quello in CUDA C. Tre core CPU vengono riservati per l'esecuzione del codice in OpenMP, il quarto per gestire la GPU usando il porting in CUDA C. Questa doppia parallelizzazione ha la massima efficienza in funzione della potenza e dell’energia, mentre il cluster HPC ha la massima efficienza in velocità di calcolo. Il metodo proposto quindi permetterebbe di sfruttare quasi completamente le potenzialità della CPU e GPU con un costo molto contenuto. Una possibile ottimizzazione futura potrebbe prevedere la ricostruzione di due slice contemporaneamente sulla GPU, raddoppiando circa la velocità totale e sfruttando al meglio l’hardware. Questo studio ha dato risultati molto soddisfacenti, infatti, è possibile con solo tre schede TK1 eguagliare e forse a superare, in seguito, la potenza di calcolo di un server tradizionale con il vantaggio aggiunto di avere un sistema portatile, a basso consumo e costo. Questa ricerca si va a porre nell’ambito del computing come uno tra i primi studi effettivi su architetture SoC low-power e sul loro impiego in ambito scientifico, con risultati molto promettenti.

Progetto di un nodo sensore wireless ultra low-power per rilevazione del movimento

Negli ultimi anni il tema del risparmio energetico nei sistemi elettronici ha suscitato sempre maggiore interesse, poiché grazie allo sviluppo tecnologico è stato possibile creare dispositivi in grado di operare a bassa potenza. Sempre più applicazioni elettroniche richiedono di funzionare tramite fonti di energia limitata, come per esempio le batterie, con un’autonomia in alcuni casi anche di 15-20 anni, questo è il motivo per il quale è diventato fondamentale riuscire a progettare sistemi elettronici in grado di gestire in modo intelligente l’energia a disposizione. L’utilizzo di batterie però spesso richiede costi aggiuntivi, come per esempio il semplice cambio, che in alcune situazioni potrebbe essere difficoltoso poiché il sistema elettronico si potrebbe trovare in luoghi difficilmente raggiungibili dall’uomo; ecco perché negli ultimi anni il tema della raccolta di energia o anche chiamato Energy Harvesting, sta suscitando sempre più interesse. Con l’Energy Harvesting si possono catturare ed accumulare per poi riutilizzare, piccole quantità di energia presenti nell’ambiente. Attraverso sistemi di Energy Harvesting è quindi diventato possibile trasformare energia cinetica, differenze di temperatura, effetto piezoelettrico, energia solare ecc.. in energia elettrica che può essere utilizzata per alimentare semplici applicazioni elettroniche, nel caso di questa tesi un nodo sensore wireless. I vantaggi dei sistemi di Energy Harvesting rispetto a sistemi alimentati a batteria sono i seguenti: - Costi di manutenzione ridotti; - Fonte di energia idealmente inesauribile e con un impatto ambientale negativo nullo. La potenza fornita da sistemi di Energy Harvesting si aggira intorno a qualche centinaia di uW, perciò è chiaro che il sistema da alimentare deve essere ottimizzato il più possibile dal punto di vista energetico, per questo motivo il progettista si deve impegnare per evitare qualsiasi spreco energetico e dovrà utilizzare dispositivi che permettono una gestione intelligente dell’energia a disposizione, al fine di ottenere la migliore efficienza possibile.

Progetto PCB di un nodo sensore ultra-low power

Lo scopo della tesi è la realizzazione di un circuito PCB di un nodo sensore wireless ultra low power per il monitoraggio della temperatura. Una volta individuati tutti i componenti si è proseguito con l'implementazione del layout del circuito, che poi potrà eventualmente essere posto in produzione

Controllo ultra-low power di un modulatore back-scattering per applicazioni di localizzazione in sistemi RFID

In questa tesi viene elaborata un'applicazione ultra-low power (ULP) basata su microcontrollore, per implementare la procedura di controllo di diversi circuiti di un tag RFID. Il tag preso in considerazione è pensato per lavorare in assenza di batteria, da cui la necessita' di ridurre i consumi di potenza. La sua attivazione deve essere inoltre comandata attraverso un'architettura Wake up Radio (WuR), in cui un segnale di controllo radio indirizza e attiva il circuito. Nello specifico, la rete di decodifica dell'indirizzo è stata realizzata mediante il modulo di comunicazione seriale del microcontrollore. Nel Capitolo 1 verrà introdotto il tema dell'Energy Harvesting. Nel Capitolo 2 verrà illustrata l'architettura del sistema nel suo complesso. Nel Capitolo 3 verrà spiegato dettagliatamente il funzionamento del microcontrollore scelto. Il Capitolo 4 sarà dedicato al firmware implementato per svolgere le operazioni fondamentali imputate al micro per i compiti di controllo. Verrà inoltre introdotto il codice VHDL sviluppato per emulare l'output del modulo WuR mediante un FPGA della famiglia Cyclone II. Nel Capitolo 5 verrà presentata una stima dei consumi del microcontrollore in funzione dei parametri di configurazione del sistema. Verrà inoltre effettuato un confronto con un altro microcontrollore che in alcune condizioni potrebbe rappresentare iun'alternativa valida di progetto. Nei Capitoli 6 e 7 saranno descritti possibili sviluppi futuri e conclusioni del progetto. Le specifiche di progetto rilevanti della tesi sono: 1. minimo consumo energetico possibile del microcontrollore ULP 2. elevata rapidità di risposta per la ricezione dei tag, per garantire la ricezione di un numero maggiore possibile di indirizzi (almeno 20 letture al secondo), in un range di tempo limitato 3. generazione di un segnale PWM a 100KHz di frequenza di commutazione con duty cycle 50% su cui basare una modulazione in back-scattering.

Design of a wearable platform for PPG analysis with multicore low-power processor

Photoplethysmography (PPG) sensors allow for noninvasive and comfortable heart-rate (HR) monitoring, suitable for compact wearable devices. However, PPG signals collected from such devices often suffer from corruption caused by motion artifacts. This is typically addressed by combining the PPG signal with acceleration measurements from an inertial sensor. Recently, different energy-efficient deep learning approaches for heart rate estimation have been proposed. To test these new solutions, in this work, we developed a highly wearable platform (42mm x 48 mm x 1.2mm) for PPG signal acquisition and processing, based on GAP9, a parallel ultra low power system-on-chip featuring nine cores RISC-V compute cluster with neural network accelerator and 1 core RISC-V controller. The hardware platform also integrates a commercial complete Optical Biosensing Module and an ARM-Cortex M4 microcontroller unit (MCU) with Bluetooth low-energy connectivity. To demonstrate the capabilities of the system, a deep learning-based approach for PPG-based HR estimation has been deployed. Thanks to the reduced power consumption of the digital computational platform, the total power budget is just 2.67 mW providing up to 5 days of operation (105 mAh battery).

Embedding Video Object Detection Capabilities on Low-Power Nano-Drones

Our objective for this thesis work was the deployment of a Neural Network based approach for video object detection on board a nano-drone. Furthermore, we have studied some possible extensions to exploit the temporal nature of videos to improve the detection capabilities of our algorithm. For our project, we have utilized the Mobilenetv2/v3SSDLite due to their limited computational and memory requirements. We have trained our networks on the IMAGENET VID 2015 dataset and to deploy it onto the nano-drone we have used the NNtool and Autotiler tools by GreenWaves. To exploit the temporal nature of video data we have tried different approaches: the introduction of an LSTM based convolutional layer in our architecture, the introduction of a Kalman filter based tracker as a postprocessing step to augment the results of our base architecture. We have obtain a total improvement in our performances of about 2.5 mAP with the Kalman filter based method(BYTE). Our detector run on a microcontroller class processor on board the nano-drone at 1.63 fps.

Motor Unit Spike Trains Recontruction from sEMG Signals for Gesture Classification on a Low-Power Processing Platform

Hand gesture recognition based on surface electromyography (sEMG) signals is a promising approach for the development of intuitive human-machine interfaces (HMIs) in domains such as robotics and prosthetics. The sEMG signal arises from the muscles' electrical activity, and can thus be used to recognize hand gestures. The decoding from sEMG signals to actual control signals is non-trivial; typically, control systems map sEMG patterns into a set of gestures using machine learning, failing to incorporate any physiological insight. This master thesis aims at developing a bio-inspired hand gesture recognition system based on neuromuscular spike extraction rather than on simple pattern recognition. The system relies on a decomposition algorithm based on independent component analysis (ICA) that decomposes the sEMG signal into its constituent motor unit spike trains, which are then forwarded to a machine learning classifier. Since ICA does not guarantee a consistent motor unit ordering across different sessions, 3 approaches are proposed: 2 ordering criteria based on firing rate and negative entropy, and a re-calibration approach that allows the decomposition model to retain information about previous sessions. Using a multilayer perceptron (MLP), the latter approach results in an accuracy up to 99.4% in a 1-subject, 1-degree of freedom scenario. Afterwards, the decomposition and classification pipeline for inference is parallelized and profiled on the PULP platform, achieving a latency < 50 ms and an energy consumption < 1 mJ. Both the classification models tested (a support vector machine and a lightweight MLP) yielded an accuracy > 92% in a 1-subject, 5-classes (4 gestures and rest) scenario. These results prove that the proposed system is suitable for real-time execution on embedded platforms and also capable of matching the accuracy of state-of-the-art approaches, while also giving some physiological insight on the neuromuscular spikes underlying the sEMG.

Low Power instrument Transformer: technologies and applications

Instrument transformers serve an important role in the protection and isolation of AC electrical systems for measurements of different electrical parameters like voltage, current, power factor, frequency, and energy. As suggested by name these transformers are used in connection with suitable measuring instruments like an ammeter, wattmeter, voltmeter, and energy meters. We have seen how higher voltages and currents are transformed into lower magnitudes to provide isolation between power networks, relays, and other instruments. Reducing transient, suppressing electrical noises in sensitive devices, standardization of instruments and relays up to a few volts and current. Transformer performance directly affects the accuracy of power system measurements and the reliability of relay protection. We classified transformers in terms of purpose, insulating medium, Voltage ranges, temperature ranges, humidity or environmental effect, indoor and outdoor use, performance, Features, specification, efficiency, cost analysis, application, benefits, and limitations which enabled us to comprehend their correct use and selection criteria based on our desired requirements. We also discussed modern Low power instrument transformer products that are recently launched or offered by renowned companies like Schneider Electric, Siemens, ABB, ZIV, G&W etc. These new products are innovations and problem solvers in the domain of measurement, protection, digital communication, advance, and commercial energy metering. Since there is always some space for improvements to explore new advantages of Low power instrument transformers in the domain of their wide linearity, high-frequency range, miniaturization, structural and technological modification, integration, smart frequency modeling, and output prediction of low-power voltage transformers.

I) Improving low photocurrent of pseudorotaxane based solar cell II) Synthesis and characterization of new Fe(0) cyclopentadienone complexes

Next to conventional solar panels that harvest direct sunlight, p-type dye-sensitized solar cells (DSSCs) have been developed, which are able to harvest diffuse sunlight. Due to unwanted charge recombination events p-type DSSCs exhibit low power conversion efficiencies (PCEs). Previous research has shown that dye-redox mediator (RM) interactions can prevent these recombination events, resulting in higher PCEs. It is unknown how the nature of dye-RM interactions affects the PCEs of pseudorotaxane-based solar cells. In this research this correlation is investigated by comparing one macrocycle, the 3-NDI, in combination with the three dyes that contains a recognition sites. 2D-DOSY-NMR experiments have been conducted to evaluate the diffusion constants (LogD) of the three couple. The research project has been stopped due to the coronavirus pandemic. The continuation of this thesis would have been to synthesize a dye on the basis of the data obtained from the diffusion tests and attempt the construction of a solar cell to then evaluate its effectiveness. During my training period I synthetized new Fe(0) cyclopentadienone compounds bearing a N-Heterocyclic Carbene ligand. The aim of the thesis was to achieve water solubility by modifications of the cyclopentadienone ligand. These new complexes have been modified using a sulfonation reaction, replacing an hydroxyl with a sulfate group, on the alkyl backbone of the cyclopentadienone ligand. All the complexes were characterized with IR, ESI-MS and NMR spectroscopy, and a new Fe(0) cyclopentadienone complex, involved as an intermediate, was obtained as a single crystal and was characterized also with X-Ray spectroscopy.

Caratterizzazione e generazione di segnali PWM per amplificatori in classe D ad alta efficienza

The convergence of information technology and consumer electronics towards battery powered portable devices has increased the interest in high efficiency, low dissipation amplifiers. Class D amplifiers are the state of the art in low power consumption and high performance amplification. In this thesis we explore the possibility of exploiting nonlinearities introduced by the PWM modulation, by designing an optimized modulation law which scales its carrier frequency adaptively with the input signal's average power while preserving the SNR, thus reducing power consumption. This is achieved by means of a novel analytical model of the PWM output spectrum, which shows how interfering harmonics and their bandwidth affect the spectrum. This allows for frequency scaling with negligible aliasing between the baseband spectrum and its harmonics. We performed low noise power spectrum measurements on PWM modulations generated by comparing variable bandwidth, random test signals with a variable frequency triangular wave carrier. The experimental results show that power-optimized frequency scaling is both feasible and effective. The new analytical model also suggests a new PWM architecture that can be applied to digitally encoded input signals which are predistorted and compared with a cosine carrier, which is accurately synthesized by a digital oscillator. This approach has been simulated in a realistic noisy model and tested in our measurement setup. A zero crossing search on the obtained PWM modulation law proves that this approach yields an equivalent signal quality with respect to traditional PWM schemes, while entailing the use of signals whose bandwidth is remarkably smaller due to the use of a cosine instead of a triangular carrier.

Progetto di un convertitore di potenza da sorgenti fotovoltaiche in regime di basso irraggiamento

L’obiettivo di questa tesi è il progetto di un convertitore di potenza di tipo low power da applicare a sorgenti fotovoltaiche in regime di basso irraggiamento. Il convertitore implementa un controllo con inseguimento del punto di massima potenza (maximum power point tracking) della caratteristica della sorgente fotovoltaica. Una prima parte è dedicata allo studio delle possibilità esistenti in materia di convertitori e di algoritmi di MPPT. Successivamente, in base alle specifiche di progetto è stata selezionata una combinazione ottimale per l'architettura del convertitore di potenza in grado di bilanciare efficienza dell'algoritmo di controllo e requisiti intrinseci di potenza.