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.

Fluidodinamica biomedica computazionale del flusso sanguigno in presenza di affezioni strumentali e/o patologiche

La tesi di Dottorato studia il flusso sanguigno tramite un codice agli elementi finiti (COMSOL Multiphysics). Nell’arteria è presente un catetere Doppler (in posizione concentrica o decentrata rispetto all’asse di simmetria) o di stenosi di varia forma ed estensione. Le arterie sono solidi cilindrici rigidi, elastici o iperelastici. Le arterie hanno diametri di 6 mm, 5 mm, 4 mm e 2 mm. Il flusso ematico è in regime laminare stazionario e transitorio, ed il sangue è un fluido non-Newtoniano di Casson, modificato secondo la formulazione di Gonzales & Moraga. Le analisi numeriche sono realizzate in domini tridimensionali e bidimensionali, in quest’ultimo caso analizzando l’interazione fluido-strutturale. Nei casi tridimensionali, le arterie (simulazioni fluidodinamiche) sono infinitamente rigide: ricavato il campo di pressione si procede quindi all’analisi strutturale, per determinare le variazioni di sezione e la permanenza del disturbo sul flusso. La portata sanguigna è determinata nei casi tridimensionali con catetere individuando tre valori (massimo, minimo e medio); mentre per i casi 2D e tridimensionali con arterie stenotiche la legge di pressione riproduce l’impulso ematico. La mesh è triangolare (2D) o tetraedrica (3D), infittita alla parete ed a valle dell’ostacolo, per catturare le ricircolazioni. Alla tesi sono allegate due appendici, che studiano con codici CFD la trasmissione del calore in microcanali e l’ evaporazione di gocce d’acqua in sistemi non confinati. La fluidodinamica nei microcanali è analoga all’emodinamica nei capillari. Il metodo Euleriano-Lagrangiano (simulazioni dell’evaporazione) schematizza la natura mista del sangue. La parte inerente ai microcanali analizza il transitorio a seguito dell’applicazione di un flusso termico variabile nel tempo, variando velocità in ingresso e dimensioni del microcanale. L’indagine sull’evaporazione di gocce è un’analisi parametrica in 3D, che esamina il peso del singolo parametro (temperatura esterna, diametro iniziale, umidità relativa, velocità iniziale, coefficiente di diffusione) per individuare quello che influenza maggiormente il fenomeno.

Analysis of optimal control problems for the incompressible MHD equations and implementation in a finite element multiphysics code

This thesis deals with the study of optimal control problems for the incompressible Magnetohydrodynamics (MHD) equations. Particular attention to these problems arises from several applications in science and engineering, such as fission nuclear reactors with liquid metal coolant and aluminum casting in metallurgy. In such applications it is of great interest to achieve the control on the fluid state variables through the action of the magnetic Lorentz force. In this thesis we investigate a class of boundary optimal control problems, in which the flow is controlled through the boundary conditions of the magnetic field. Due to their complexity, these problems present various challenges in the definition of an adequate solution approach, both from a theoretical and from a computational point of view. In this thesis we propose a new boundary control approach, based on lifting functions of the boundary conditions, which yields both theoretical and numerical advantages. With the introduction of lifting functions, boundary control problems can be formulated as extended distributed problems. We consider a systematic mathematical formulation of these problems in terms of the minimization of a cost functional constrained by the MHD equations. The existence of a solution to the flow equations and to the optimal control problem are shown. The Lagrange multiplier technique is used to derive an optimality system from which candidate solutions for the control problem can be obtained. In order to achieve the numerical solution of this system, a finite element approximation is considered for the discretization together with an appropriate gradient-type algorithm. A finite element object-oriented library has been developed to obtain a parallel and multigrid computational implementation of the optimality system based on a multiphysics approach. Numerical results of two- and three-dimensional computations show that a possible minimum for the control problem can be computed in a robust and accurate manner.

Genome characterization through a mathematical model of the genetic code: an analysis of the whole chromosome 1 of A. thaliana

The objective of this work is to characterize the genome of the chromosome 1 of A.thaliana, a small flowering plants used as a model organism in studies of biology and genetics, on the basis of a recent mathematical model of the genetic code. I analyze and compare different portions of the genome: genes, exons, coding sequences (CDS), introns, long introns, intergenes, untranslated regions (UTR) and regulatory sequences. In order to accomplish the task, I transformed nucleotide sequences into binary sequences based on the definition of the three different dichotomic classes. The descriptive analysis of binary strings indicate the presence of regularities in each portion of the genome considered. In particular, there are remarkable differences between coding sequences (CDS and exons) and non-coding sequences, suggesting that the frame is important only for coding sequences and that dichotomic classes can be useful to recognize them. Then, I assessed the existence of short-range dependence between binary sequences computed on the basis of the different dichotomic classes. I used three different measures of dependence: the well-known chi-squared test and two indices derived from the concept of entropy i.e. Mutual Information (MI) and Sρ, a normalized version of the “Bhattacharya Hellinger Matusita distance”. The results show that there is a significant short-range dependence structure only for the coding sequences whose existence is a clue of an underlying error detection and correction mechanism. No doubt, further studies are needed in order to assess how the information carried by dichotomic classes could discriminate between coding and noncoding sequence and, therefore, contribute to unveil the role of the mathematical structure in error detection and correction mechanisms. Still, I have shown the potential of the approach presented for understanding the management of genetic information.

Sperimentazione con una libreria per la decodifica di bar code in immagini

In questa tesi viene studiata la libreria zbar.h il cui compito è decodificare i barcode presenti in immagini. Per acquisire le immagini si utilizzano funzioni contenute nella libreria OpenCV. Successivamente viene creata un'interfaccia tra OpenCV e ZBar. Vengono effettuati alcuni test per verificare l'efficienza sia di ZBar e sia dell'interfaccia. Concludendo, si crea una nuova libreria in cui sono inglobate le funzioni di ZBar e l'interfaccia OpenCV-ZBar

Code synchronization and interference management techniques for satellite navigation and communications

This thesis collects the outcomes of a Ph.D. course in Telecommunications engineering and it is focused on enabling techniques for Spread Spectrum (SS) navigation and communication satellite systems. It provides innovations for both interference management and code synchronization techniques. These two aspects are critical for modern navigation and communication systems and constitute the common denominator of the work. The thesis is organized in two parts: the former deals with interference management. We have proposed a novel technique for the enhancement of the sensitivity level of an advanced interference detection and localization system operating in the Global Navigation Satellite System (GNSS) bands, which allows the identification of interfering signals received with power even lower than the GNSS signals. Moreover, we have introduced an effective cancellation technique for signals transmitted by jammers, exploiting their repetitive characteristics, which strongly reduces the interference level at the receiver. The second part, deals with code synchronization. More in detail, we have designed the code synchronization circuit for a Telemetry, Tracking and Control system operating during the Launch and Early Orbit Phase; the proposed solution allows to cope with the very large frequency uncertainty and dynamics characterizing this scenario, and performs the estimation of the code epoch, of the carrier frequency and of the carrier frequency variation rate. Furthermore, considering a generic pair of circuits performing code acquisition, we have proposed a comprehensive framework for the design and the analysis of the optimal cooperation procedure, which minimizes the time required to accomplish synchronization. The study results particularly interesting since it enables the reduction of the code acquisition time without increasing the computational complexity. Finally, considering a network of collaborating navigation receivers, we have proposed an innovative cooperative code acquisition scheme, which allows exploit the shared code epoch information between neighbor nodes, according to the Peer-to-Peer paradigm.

Cosmological predictions for a scalar tensor dark energy model by a dedicated Einstein-Boltzmann code

We have extended the Boltzmann code CLASS and studied a specific scalar tensor dark energy model: Induced Gravity

Studio della fluidodinamica e della reazione chimica in un reattore agitato tramite modellazione cfd

L’attività di tesi è stata rivolta a realizzare l’accoppiamento tra modelli di reazione chimica e modelli di fluidodinamica per una reazione eterogenea solido-liquido in un reattore agitato, in ambito di un codice commerciale di fluidodinamica numerica. Lo studio ha avuto come punto di partenza la definizione e la discretizzazione del dominio di calcolo tramite un apposito programma. Per una trattazione completa, si sono svolti studi preliminari volti ad identificare le incertezze dovute ai metodi numerici e i limiti dovuti alla formulazione dei modelli per la descrizione del sistema. Lo studio si è svolto considerando sistemi di complessità crescente, partendo da simulazioni monofase fino ad arrivare allo studio di diverse soluzioni per sistemi reagenti con reazioni eterogenee solido-liquido. Questi ultimi esempi applicativi sono serviti come verifica del modello sviluppato (dove con modello si è indicato l’insieme dei modelli relativi alla fluidodinamica accoppiati al modello di reazione). Questa attività ha contribuito ad affrontare un problema di simulazione completa e completamente predittiva dei reattori chimici, essendo la letteratura a riguardo limitata, a differenza di quella relativa alle simulazioni puramente fluidodinamiche.