Distributed Smart City Services for Urban Ecosystems

A Smart City is a high-performance urban context, where citizens live independently and are more aware of the surrounding opportunities, thanks to forward-looking development of economy politics, governance, mobility and environment. ICT infrastructures play a key-role in this new research field being also a mean for society to allow new ideas to prosper and new, more efficient approaches to be developed. The aim of this work is to research and develop novel solutions, here called smart services, in order to solve several upcoming problems and known issues in urban areas and more in general in the modern society context. A specific focus is posed on smart governance and on privacy issues which have been arisen in the cellular age.

Ultra-Low Power and Non-intrusive Wireless Monitoring for Smart Buildings

Wireless Sensor Networks (WSNs) offer a new solution for distributed monitoring, processing and communication. First of all, the stringent energy constraints to which sensing nodes are typically subjected. WSNs are often battery powered and placed where it is not possible to recharge or replace batteries. Energy can be harvested from the external environment but it is a limited resource that must be used efficiently. Energy efficiency is a key requirement for a credible WSNs design. From the power source's perspective, aggressive energy management techniques remain the most effective way to prolong the lifetime of a WSN. A new adaptive algorithm will be presented, which minimizes the consumption of wireless sensor nodes in sleep mode, when the power source has to be regulated using DC-DC converters. Another important aspect addressed is the time synchronisation in WSNs. WSNs are used for real-world applications where physical time plays an important role. An innovative low-overhead synchronisation approach will be presented, based on a Temperature Compensation Algorithm (TCA). The last aspect addressed is related to self-powered WSNs with Energy Harvesting (EH) solutions. Wireless sensor nodes with EH require some form of energy storage, which enables systems to continue operating during periods of insufficient environmental energy. However, the size of the energy storage strongly restricts the use of WSNs with EH in real-world applications. A new approach will be presented, which enables computation to be sustained during intermittent power supply. The discussed approaches will be used for real-world WSN applications. The first presented scenario is related to the experience gathered during an European Project (3ENCULT Project), regarding the design and implementation of an innovative network for monitoring heritage buildings. The second scenario is related to the experience with Telecom Italia, regarding the design of smart energy meters for monitoring the usage of household's appliances.

Development of a microgrid with renewable energy sources and electrochemical storage system integration

Beside the traditional paradigm of "centralized" power generation, a new concept of "distributed" generation is emerging, in which the same user becomes pro-sumer. During this transition, the Energy Storage Systems (ESS) can provide multiple services and features, which are necessary for a higher quality of the electrical system and for the optimization of non-programmable Renewable Energy Source (RES) power plants. A ESS prototype was designed, developed and integrated into a renewable energy production system in order to create a smart microgrid and consequently manage in an efficient and intelligent way the energy flow as a function of the power demand. The produced energy can be introduced into the grid, supplied to the load directly or stored in batteries. The microgrid is composed by a 7 kW wind turbine (WT) and a 17 kW photovoltaic (PV) plant are part of. The load is given by electrical utilities of a cheese factory. The ESS is composed by the following two subsystems, a Battery Energy Storage System (BESS) and a Power Control System (PCS). With the aim of sizing the ESS, a Remote Grid Analyzer (RGA) was designed, realized and connected to the wind turbine, photovoltaic plant and the switchboard. Afterwards, different electrochemical storage technologies were studied, and taking into account the load requirements present in the cheese factory, the most suitable solution was identified in the high temperatures salt Na-NiCl2 battery technology. The data acquisition from all electrical utilities provided a detailed load analysis, indicating the optimal storage size equal to a 30 kW battery system. Moreover a container was designed and realized to locate the BESS and PCS, meeting all the requirements and safety conditions. Furthermore, a smart control system was implemented in order to handle the different applications of the ESS, such as peak shaving or load levelling.

Sviluppo di una infrastruttura location-based per l'auto-organizzazione di smart-devices.

La tesi consiste nel realizzare una infrastruttura che mantenga il modello tipico dello Spatial Computing e coniughi al meglio le tecnologie location-based come GPS, NFC e BLE, per permettere ai moderni smart-devices Android di cooperare e auto-organizzarsi al fine di compiere un certo task definito a livello applicativo.

Smart magnetic dispersions - from switchable release to well-defined hybrid nanofibers

The synthesis, characterization and application of aqueous dispersions of superparamagnetic/polymer hybrid nanoparticles and capsules is described. Implementation of the superparamagnetic moiety into the polymer matrix enables a response of the nanomaterials towards an external magnetic field. Application of the external field is used for two main purposes: i) As heat generator, when an alternating magnetic field is applied. ii) As structuring agent to self-assemble superparamagnetic nanoparticles in the external field.rnIn the first part, superparamagnetic nanoparticles were used as heat generators in order to achieve a magnetic field induced release of an active compound from nanocontainers. To achieve such a release in remote-controlled fashion, the encapsulation of superparamagnetic nanoparticles into polymer nanocapsules was combined with the integration of a thermolabile compound into the shell of the nanocontainers. The magnetic nanoparticles acted as generators for heat, which decomposed the thermolabile compound. Pores were created in the degrading shell and an active substance was released.rn Additionally, the self-assembly of polymer nanoparticles, which were labeled with a superparamagnetic moiety as structuring agent, could be demonstrated. A combination of a magnetic field induced self-assembly and a sintering of neighboring particles upon an increase in temperature above the glass transition temperature of the polymer was used to form stable architectures. Various structures with tunable periodicity could be obtained ranging from smooth linear nanofibers to zigzag fibers. Besides solely creating linear architectures, the frugal process additionally allowed the creation of arrangements in analogy to more complex polymer architectures: By the introduction of defined junction points, the generation of branched structures and networks was demonstrated. Additionally, by tailoring the interaction of differently sized particles, the preparation of nanoparticle arrangements in statistical or block copolymer fashion was shown. Moreover, a reversible linear assembly and linkage of the nanoparticles was demonstrated following a lock/unlock mechanism. Therefore, the particles were locked in their linear assembly by a stable iron(III) hydroxamato-complex and unlocked by addition of a reducing agent and formation of a less stable iron(II)-complex.Further, in various projects with collaboration partners, nanoparticles and nanocapsules were labeled with a superparamagnetic moiety for their use as contrast agents in magnetic resonance imaging or as magnetically separable dispersions.

Discovery di dispositivi embedded e raccolta di dati con bluetooth e bluetooth smart

L'obbiettivo di questa tesi è la produzione del prototipo di un sistema che sia in grado di ottenere dati da un insieme di sensori per poterli poi trasmettere all’utente, in modo che esso sia maggiormente cosciente del mondo che lo circonda. Affronteremo la sfida in uno scenario medico / di soccorso, dove un operatore si avvicinerà ad un gruppo di pazienti con l’intenzione di ottenere i parametri vitali di uno di essi. All'interno del documento saranno descritte le tecnologie sfruttate per la realizzazione del prototipo: Bluetooth e Bluetooth Smart, il sistema operativo Linux in esecuzione su un Raspberry Pi dotato di sensori, il sistema operativo Android in esecuzione su smartphone o tablet e iBeacon. Verranno poi analizzati i requisiti del sistema da realizzare. Infine verrà descritta l'implementazione utilizzata nel prototipo e analizzato il suo comportamento.

Sistema Multi Smart-Camera per la localizzazione e la guida di un drone

Con un sistema di multivisione correttamente installato e calibrato, si è tracciato il moto di un drone a seguito di operazioni di triangolazione e ne si è controllata automaticamente la traiettoria.

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.

Spatial computing per smart devices

Magic Carpet, nato come un middleware orientato a una dimostrazione sullo spatial computing, che inizialmente coinvolgeva solo smart devices ed un tappeto di tag NFC, è il punto di partenza per uno studio sulle tecnologie abilitanti in tale campo. Il prodotto finale è una toolchain per lo sviluppo e la distribuzione, su dispositivi connessi, di applicazioni di spatial computing. Essa comprende un interprete per un DSL basato su un core calculus formalizzato, Field Calculus, e un middleware che supporta l'astrazione curando, a basso livello, le comunicazioni con il vicinato e le percezioni ambientali.

Valutazione sperimentale delle prestazioni di un sistema di smart metering a 169 Mhz in ambiente urbano

Sono state valutate sperimentalmente le prestazioni di tre diversi collegamenti di Smart Metering in tre ambienti (urbano, sub-urbano e urbano denso) alla frequenza di 169 MHz. Grazie al calcolo del valore di Building Penetration Loss e dei valori di Path Loss è stato possibile stabilire le distanze massime di collegamento accentratore-meter al variare della probabilità di copertura.

Studi di data popularity nell'analisi distribuita su Grid dell'esperimento CMS a LHC

L’esperimento CMS a LHC ha raccolto ingenti moli di dati durante Run-1, e sta sfruttando il periodo di shutdown (LS1) per evolvere il proprio sistema di calcolo. Tra i possibili miglioramenti al sistema, emergono ampi margini di ottimizzazione nell’uso dello storage ai centri di calcolo di livello Tier-2, che rappresentano - in Worldwide LHC Computing Grid (WLCG)- il fulcro delle risorse dedicate all’analisi distribuita su Grid. In questa tesi viene affrontato uno studio della popolarità dei dati di CMS nell’analisi distribuita su Grid ai Tier-2. Obiettivo del lavoro è dotare il sistema di calcolo di CMS di un sistema per valutare sistematicamente l’ammontare di spazio disco scritto ma non acceduto ai centri Tier-2, contribuendo alla costruzione di un sistema evoluto di data management dinamico che sappia adattarsi elasticamente alle diversi condizioni operative - rimuovendo repliche dei dati non necessarie o aggiungendo repliche dei dati più “popolari” - e dunque, in ultima analisi, che possa aumentare l’“analysis throughput” complessivo. Il Capitolo 1 fornisce una panoramica dell’esperimento CMS a LHC. Il Capitolo 2 descrive il CMS Computing Model nelle sue generalità, focalizzando la sua attenzione principalmente sul data management e sulle infrastrutture ad esso connesse. Il Capitolo 3 descrive il CMS Popularity Service, fornendo una visione d’insieme sui servizi di data popularity già presenti in CMS prima dell’inizio di questo lavoro. Il Capitolo 4 descrive l’architettura del toolkit sviluppato per questa tesi, ponendo le basi per il Capitolo successivo. Il Capitolo 5 presenta e discute gli studi di data popularity condotti sui dati raccolti attraverso l’infrastruttura precedentemente sviluppata. L’appendice A raccoglie due esempi di codice creato per gestire il toolkit attra- verso cui si raccolgono ed elaborano i dati.

Smart home: Stato dell'arte della tecnologia

Nella tesi vengono analizzati i diversi aspetti della domotica. Uno sguardo sulla storia, sulle caratteristiche sia funzionali che strutturali. Viene analizzato l'impatto che questa ha sull'uomo e sul suo stile di vita. Vengono messe a confronto Google ed Apple, nello specifico per quel che riguarda la loro risposta alla smart home: Nest ed HomeKit, sia a livello funzionale che di codice. In seguito all'analisi di API e documentazioni è emerso che entrambe le aziende offrono pressoché le medesime funzionalità, ma con piccole particolarità che fanno la differenza, dando inizio così ad una battaglia per il primato.

Impatto delle tecnologie Smart City sulla città di Cesena

La presente tesi ha lo scopo di censire e classificare le principali attività di Cesena come Smart City, con particolare riguardo a quelle che hanno una componente tecnologica predominante. La tesi presenta le definizioni concetto di Smart City e le diverse articolazioni in ambiti che questo prevede. Scelta come chiave di lettura la classificazione più utilizzata in ambito internazionale, sono stati approfonditi i sei ambiti di azione in cui questa si articola: Smart Economy, Smart People, Smart Governance, Smart Mobility, Smart Enviroment, Smart Living. Inoltre, la tesi presenta le principali metodologie di valutazione utilizzate per comparare la smartness delle città, in contesto italiano ed europeo, nonché i criteri con cui queste valutazioni sono state applicate. Nel testo viene dato rilievo agli aspetti più legati alle nuove tecnologie ICT, viste come sostegno ed accelerante nei progetti attuati verso la smartness.

Applicazioni mobili ed internet delle cose: progettazione e sviluppo di un framework per ottimizzare l'efficienza energetica di una smart home

Progettazione di un framework per ottimizzare l'efficienza energetica di una Smart home. Gestione e supervisione tramite smartphone Android

Smart Mobility: integrazione di crowdsourcing e opendata per percorsi multimodali e personalizzati.

Lo scopo che questa tesi ha è di inserirsi nell’ambito della Smart Mobility, in particolare nell'ambito dell’accessibilità urbana. Obiettivo primario è di offrire un software capace di adattarsi alle capacità dell’utente nel muoversi nell’ambiente urbano, in particolare riguardo alle barriere architettoniche che lo ostacolano. Quello che il programma deve fare è offrire percorsi per l’utente, personalizzati rispetto alle sue richieste. Affinché sia possibile tutto ciò, sono necessarie delle fondamenta, nella fattispecie una fonte di dati geografici e uno strumento che permetta di ricercare percorsi da essi e di essere modificato per includere le modifiche volute. La fonte di dati geografici scelta è stata OpenStreetMap, un progetto di crowdsourcing che punta a creare una mappa globale completamente accessibile fino al suo livello più basso e utilizzabile da chiunque, purché sia rispettata la sua licenza. Da questa scelta, derivano i software utilizzabili per calcolare i percorsi: la tesi ne esplorerà in particolare due GraphHopper e OpenTripPlanner, entrambi progetti open source. L’ultimo, ma non meno importante, scopo della tesi è effettivamente implementare un algoritmo di routing capace di considerare le preferenze degli utenti. Queste preferenze, infatti, non devono solo permettere di escludere percorsi con una barriera/architettonica cui l’utente non può accedere, ma anche di favorire percorsi con le facility che l’utente preferisce e di sfavorire quelli con facility che l’utente non preferisce.