Connessione di sitemi a microcontrollore con reti geografiche

Fra le varie ragioni della crescente pervasività di Internet in molteplici settori di mercato del tutto estranei all’ICT, va senza dubbio evidenziata la possibilità di creare canali di comunicazione attraverso i quali poter comandare un sistema e ricevere da esso informazioni di qualsiasi genere, qualunque distanza separi controllato e controllore. Nel caso specifico, il contesto applicativo è l’automotive: in collaborazione col Dipartimento di Ingegneria Elettrica dell’Università di Bologna, ci si è occupati del problema di rendere disponibile a distanza la grande quantità di dati che i vari sotto-sistemi componenti una automobile elettrica si scambiano fra loro, sia legati al tipo di propulsione, elettrico appunto, come i livelli di carica delle batterie o la temperatura dell’inverter, sia di natura meccanica, come i giri motore. L’obiettivo è quello di permettere all’utente (sia esso il progettista, il tecnico riparatore o semplicemente il proprietario) il monitoraggio e la supervisione dello stato del mezzo da remoto nelle sue varie fasi di vita: dai test eseguiti su prototipo in laboratorio, alla messa in strada, alla manutenzione ordinaria e straordinaria. L’approccio individuato è stato quello di collezionare e memorizzare in un archivio centralizzato, raggiungibile via Internet, tutti i dati necessari. Il sistema di elaborazione a bordo richiede di essere facilmente integrabile, quindi di piccole dimensioni, e a basso costo, dovendo prevedere la produzione di molti veicoli; ha inoltre compiti ben definiti e noti a priori. Data la situazione, si è quindi scelto di usare un sistema embedded, cioè un sistema elettronico di elaborazione progettato per svolgere un limitato numero di funzionalità specifiche sottoposte a vincoli temporali e/o economici. Apparati di questo tipo sono denominati “special purpose”, in opposizione ai sistemi di utilità generica detti “general purpose” quali, ad esempio, i personal computer, proprio per la loro capacità di eseguire ripetutamente un’azione a costo contenuto, tramite un giusto compromesso fra hardware dedicato e software, chiamato in questo caso “firmware”. I sistemi embedded hanno subito nel corso del tempo una profonda evoluzione tecnologica, che li ha portati da semplici microcontrollori in grado di svolgere limitate operazioni di calcolo a strutture complesse in grado di interfacciarsi a un gran numero di sensori e attuatori esterni oltre che a molte tecnologie di comunicazione. Nel caso in esame, si è scelto di affidarsi alla piattaforma open-source Arduino; essa è composta da un circuito stampato che integra un microcontrollore Atmel da programmare attraverso interfaccia seriale, chiamata Arduino board, ed offre nativamente numerose funzionalità, quali ingressi e uscite digitali e analogici, supporto per SPI, I2C ed altro; inoltre, per aumentare le possibilità d’utilizzo, può essere posta in comunicazione con schede elettroniche esterne, dette shield, progettate per le più disparate applicazioni, quali controllo di motori elettrici, gps, interfacciamento con bus di campo quale ad esempio CAN, tecnologie di rete come Ethernet, Bluetooth, ZigBee, etc. L’hardware è open-source, ovvero gli schemi elettrici sono liberamente disponibili e utilizzabili così come gran parte del software e della documentazione; questo ha permesso una grande diffusione di questo frame work, portando a numerosi vantaggi: abbassamento del costo, ambienti di sviluppo multi-piattaforma, notevole quantità di documentazione e, soprattutto, continua evoluzione ed aggiornamento hardware e software. È stato quindi possibile interfacciarsi alla centralina del veicolo prelevando i messaggi necessari dal bus CAN e collezionare tutti i valori che dovevano essere archiviati. Data la notevole mole di dati da elaborare, si è scelto di dividere il sistema in due parti separate: un primo nodo, denominato Master, è incaricato di prelevare dall’autovettura i parametri, di associarvi i dati GPS (velocità, tempo e posizione) prelevati al momento della lettura e di inviare il tutto a un secondo nodo, denominato Slave, che si occupa di creare un canale di comunicazione attraverso la rete Internet per raggiungere il database. La denominazione scelta di Master e Slave riflette la scelta fatta per il protocollo di comunicazione fra i due nodi Arduino, ovvero l’I2C, che consente la comunicazione seriale fra dispositivi attraverso la designazione di un “master” e di un arbitrario numero di “slave”. La suddivisione dei compiti fra due nodi permette di distribuire il carico di lavoro con evidenti vantaggi in termini di affidabilità e prestazioni. Del progetto si sono occupate due Tesi di Laurea Magistrale; la presente si occupa del dispositivo Slave e del database. Avendo l’obiettivo di accedere al database da ovunque, si è scelto di appoggiarsi alla rete Internet, alla quale si ha oggi facile accesso da gran parte del mondo. Questo ha fatto sì che la scelta della tecnologia da usare per il database ricadesse su un web server che da un lato raccoglie i dati provenienti dall’autovettura e dall’altro ne permette un’agevole consultazione. Anch’esso è stato implementato con software open-source: si tratta, infatti, di una web application in linguaggio php che riceve, sotto forma di richieste HTTP di tipo GET oppure POST, i dati dal dispositivo Slave e provvede a salvarli, opportunamente formattati, in un database MySQL. Questo impone però che, per dialogare con il web server, il nodo Slave debba implementare tutti i livelli dello stack protocollare di Internet. Due differenti shield realizzano quindi il livello di collegamento, disponibile sia via cavo sia wireless, rispettivamente attraverso l’implementazione in un caso del protocollo Ethernet, nell’altro della connessione GPRS. A questo si appoggiano i protocolli TCP/IP che provvedono a trasportare al database i dati ricevuti dal dispositivo Master sotto forma di messaggi HTTP. Sono descritti approfonditamente il sistema veicolare da controllare e il sistema controllore; i firmware utilizzati per realizzare le funzioni dello Slave con tecnologia Ethernet e con tecnologia GPRS; la web application e il database; infine, sono presentati i risultati delle simulazioni e dei test svolti sul campo nel laboratorio DIE.

Sviluppo di un ambiente per il progetto concettuale ed il disegno automatico dei dirigibili

Presentazione dello sviluppo di un ambiente per il progetto concettuale ed il disegno automatico dei dirigibili: inserendo le specifiche di missione è possibile visualizzare alcuni dati preliminari utili al dimensionamento, alla stima dei pesi, alla definizione dell'apparato propulsivo. L'integrazione con un modello 3D parametrico sviluppato in solidworks permette poi di ottenere un semplice modello del dirigibile da utilizzare come punto di partenza per ulteriori analisi. Sono inclusi alcuni casi di studio in cui si presenta come può essere utilizzato l'ambiente. Vengono inoltre indicati alcuni possibili margini di miglioramento.

Sistemi embedded open source: Arduino come caso di studio

Il lavoro svolto in questa tesi è stato quello di introdurre alcuni concetti importanti dei sistemi embedded, in particolare ci si è soffermati su quelli open source. È stato trattato nello specifico Arduino come esempio di sistema embedded open source a basso costo.

Sviluppo e validazione sperimentale di strategie di previsione e controllo del fenomeno della preaccensione (Mega-Knock)

L’algoritmo per la previsione del Mega-Knock si inserisce all’interno di uno dei temi cardine dell’attuale ricerca nel campo motoristico: la minimizzazione del consumo di combustibile nei motori ad alto grado di sovralimentazione, sviluppati nell’ottica del downsizing. La possibilità di prevedere l’innescarsi del Mega-Knock consente di ottimizzare la definizione dell’obiettivo di titolo, evitando arricchimenti non necessari in un range di funzionamento del motore che frequentemente viene esplorato nella normale guida su strada. Si tratterà la possibilità di utilizzare una relazione empirica per cercare di arrivare alla previsione dell’insorgere della preaccensione, per poi ricorrere ad opportune strategie motore per evitare il verificarsi del fenomeno; il tutto tramite lo sviluppo di un algoritmo in ambiente MatLab-Simulink

Analisi dei difetti in getti di GJS400 come supporto al controllo qualità

Analisi dell'incidenza di porosità interne sul limite di fatica di particolari getti di ghisa. Studio sviluppato grazie alla tecnica probabilistica "extreme value analysis".

Towards model driven software development for Arduino platforms: a DSL and automatic code generation

La tesi ha lo scopo di esplorare la produzione di sistemi software per Embedded Systems mediante l'utilizzo di tecniche relative al mondo del Model Driven Software Development. La fase più importante dello sviluppo sarà la definizione di un Meta-Modello che caratterizza i concetti fondamentali relativi agli embedded systems. Tale modello cercherà di astrarre dalla particolare piattaforma utilizzata ed individuare quali astrazioni caratterizzano il mondo degli embedded systems in generale. Tale meta-modello sarà quindi di tipo platform-independent. Per la generazione automatica di codice è stata adottata una piattaforma di riferimento, cioè Arduino. Arduino è un sistema embedded che si sta sempre più affermando perché coniuga un buon livello di performance ed un prezzo relativamente basso. Tale piattaforma permette lo sviluppo di sistemi special purpose che utilizzano sensori ed attuatori di vario genere, facilmente connessi ai pin messi a disposizione. Il meta-modello definito è un'istanza del meta-metamodello MOF, definito formalmente dall'organizzazione OMG. Questo permette allo sviluppatore di pensare ad un sistema sotto forma di modello, istanza del meta-modello definito. Un meta-modello può essere considerato anche come la sintassi astratta di un linguaggio, quindi può essere definito da un insieme di regole EBNF. La tecnologia utilizzata per la definizione del meta-modello è stata Xtext: un framework che permette la scrittura di regole EBNF e che genera automaticamente il modello Ecore associato al meta-modello definito. Ecore è l'implementazione di EMOF in ambiente Eclipse. Xtext genera inoltre dei plugin che permettono di avere un editor guidato dalla sintassi, definita nel meta-modello. La generazione automatica di codice è stata realizzata usando il linguaggio Xtend2. Tale linguaggio permette di esplorare l'Abstract Syntax Tree generato dalla traduzione del modello in Ecore e di generare tutti i file di codice necessari. Il codice generato fornisce praticamente tutta la schematic part dell'applicazione, mentre lascia all'application designer lo sviluppo della business logic. Dopo la definizione del meta-modello di un sistema embedded, il livello di astrazione è stato spostato più in alto, andando verso la definizione della parte di meta-modello relativa all'interazione di un sistema embedded con altri sistemi. Ci si è quindi spostati verso un ottica di Sistema, inteso come insieme di sistemi concentrati che interagiscono. Tale difinizione viene fatta dal punto di vista del sistema concentrato di cui si sta definendo il modello. Nella tesi viene inoltre introdotto un caso di studio che, anche se abbastanza semplice, fornisce un esempio ed un tutorial allo sviluppo di applicazioni mediante l'uso del meta-modello. Ci permette inoltre di notare come il compito dell'application designer diventi piuttosto semplice ed immediato, sempre se basato su una buona analisi del problema. I risultati ottenuti sono stati di buona qualità ed il meta-modello viene tradotto in codice che funziona correttamente.

Salume arricchito in acidi grassi polinsaturi omega-3: controllo delle caratteristiche sensoriali in relazione ad un possibile incremento di ossidabilità della frazione lipidica durante la shelf-life.

Questa relazione finale è stata frutto di un lavoro sperimentale svolto in collaborazione con un’azienda del territorio ed ha avuto come obiettivo principale quello di verificare i parametri qualitativi e compositivi di una nuova tipologia di salume in fase di studio. L’azienda sta studiando una nuova tipologia di “prodotto funzionale” addizionando componenti ad attività nutraceutica al salame ottenuto da sole parti magre di suino. L’intenzione dell’azienda è di arricchire il proprio prodotto con acidi grassi polinsaturi della serie omega-3 (da olio di semi di lino), noti per gli effetti benefici che possono esercitare sulla salute umana. A questo scopo, sul prodotto di nuova formulazione (ed in parallelo sul prodotto a formulazione classica e su un prodotto del tutto simile commercializzato da un’altra azienda) sono state effettuate sia la determinazione della percentuale lipidica, al fine di individuare il quantitativo totale di grasso, che una caratterizzazione gascromatografica del profilo quali-quantitativo in acidi grassi, analsi fondamentale per verificare la conformità con i requisiti indicati dal Reg. 1924/06, e successive modifiche, previsti per le indicazioni da inserire in etichetta (claims). Inoltre, è stato importante controllare che la concentrazione voluta di acido alfa-linolenico si mantenga tale durante tutto il periodo di shelf-life del prodotto (45 gg), perciò per soddisfare quest’ultima finalità, le analisi sono state eseguite sia all’inizio (T0) che alla fine (T1) della vita commerciale del prodotto. E’ apparso poi fondamentale monitorare un possibile decadimento/modifica della qualità organolettica del prodotto di nuova formulazione, a causa del possibile aumento di ossidabilità della frazione lipidica causata da una maggiore presenza di acidi grassi polinsaturi; ed infine, con l’intento di verificare se la nuova formulazione potesse comportare una variazione significativa delle caratteristiche sensoriali del prodotto, sono stati condotti un test descrittivo quantitativo (QDA), in grado di descrivere il profilo sensoriale del prodotto ed un test discriminante qualitativo (metodo triangolare) capace di valutare l’eventuale comparsa di cambiamenti in seguito alle modifiche apportate al prodotto; per ultimo è stato poi eseguito un test affettivo quantitativo (test di preferenza, condotto su scala di laboratorio) in grado fornire informazioni sul gradimento e di evidenziare i principali vettori che guidano le scelte dei consumatori. I risultati delle analisi chimiche e sensoriali, eseguite per soddisfare tali richieste, hanno evidenziato come il salume presenti un quantitativo di tali acidi grassi polinsaturi in linea con il claim “Alimento fonte di acidi grassi omega-3”, (requisiti indicati dal Reg. 1924/06 e successive modifiche), risultato confermato sia all’inizio che al termine della vita commerciale del prodotto (pari a circa 45 giorni). Inoltre, esso risulta essere piuttosto interessante dal punto di vista nutrizionale, poiché caratterizzato da un contenuto di grasso per la categoria dei salumi, relativamente limitato, pari a circa il 15%, con percentuali più favorevoli in acidi grassi insaturi. L’analisi del profilo sensoriale condotta ad inizio shelf-life ha invece evidenziato come questa tipologia di prodotto sia caratterizzata sia al gusto che all’olfatto da note più sapide e speziate , oltre ad una maggiore consistenza della fetta, rispetto agli altri campioni analizzati, mentre i risultati relativi al termine della shelf-life hanno evidenziato come esso tenda ad essere soggetto ad alterazioni sensoriali rilevabili proprio al termine della fase di conservazione dovute nello specifico alla formazione di composti responsabili dell’odore di rancido. I test discriminanti, condotti con giudici non allenati, non hanno invece fatto registrare differenze sensoriali significative tra il prodotto con formulazione classica e quello di nuova formulazione, confrontati ad inizio e a fine shelf-life. Riassumendo, dai risultati ottenuti da questo lavoro sperimentale, il prodotto di nuova formulazione, arricchito in acidi grassi polinsaturi della serie omega-3, risulta essere in linea con il claim “Alimento fonte di acidi grassi omega-3”, presenta in generale un contenuto di grasso totale inferiore a quello di altre tipologie di salumi ed un rapporto più favorevole tra acidi grassi insaturi e saturi, per questo può essere considerato un prodotto interessante dal punto di vista della salute e della nutrizione. Proprio per la sua formulazione più ricca in acidi grassi polinsaturi, tende però a fine shelf-life a presentare una leggera nota di rancido, riconducibile ad una maggiore ossidabilità della frazione lipidica. Tale variazione sensoriale è risultata comunque percepita solo da un panel allenato, mentre un test di tipo discriminante, condotto con giudici non allenati, non ha messo in luce differenze significative tra il salume di nuova formulazione e quello con formulazione classica né all’inizio, né al termine della vita commerciale del prodotto.