Ultra-low power WSNs: distributed signal processing and dynamic resource management

This thesis presents several data processing and compression techniques capable of addressing the strict requirements of wireless sensor networks. After introducing a general overview of sensor networks, the energy problem is introduced, dividing the different energy reduction approaches according to the different subsystem they try to optimize. To manage the complexity brought by these techniques, a quick overview of the most common middlewares for WSNs is given, describing in detail SPINE2, a framework for data processing in the node environment. The focus is then shifted on the in-network aggregation techniques, used to reduce data sent by the network nodes trying to prolong the network lifetime as long as possible. Among the several techniques, the most promising approach is the Compressive Sensing (CS). To investigate this technique, a practical implementation of the algorithm is compared against a simpler aggregation scheme, deriving a mixed algorithm able to successfully reduce the power consumption. The analysis moves from compression implemented on single nodes to CS for signal ensembles, trying to exploit the correlations among sensors and nodes to improve compression and reconstruction quality. The two main techniques for signal ensembles, Distributed CS (DCS) and Kronecker CS (KCS), are introduced and compared against a common set of data gathered by real deployments. The best trade-off between reconstruction quality and power consumption is then investigated. The usage of CS is also addressed when the signal of interest is sampled at a Sub-Nyquist rate, evaluating the reconstruction performance. Finally the group sparsity CS (GS-CS) is compared to another well-known technique for reconstruction of signals from an highly sub-sampled version. These two frameworks are compared again against a real data-set and an insightful analysis of the trade-off between reconstruction quality and lifetime is given.

Progetto elettromagnetico di antenne per tag eco-compatibili a banda ultra-larga

Questo lavoro si è occupato della ricerca e progettazione di un'antenna UWB per la realizzazione di un tag RFID e si colloca all'interno del progetto GRETA (GREen TAgs), finanziato dal MIUR. Le principali caratteristiche richieste al green tag sono: dimensioni complessive di massimo 4-5 cm, assenza di batterie e compatibilità con l'ambiente. L'eco-compatibilità viene garantita tramite la realizzazione dell'antenna al di sopra di un substrato di carta; i limiti derivanti dall'assenza di batterie vengono invece sopperiti tramite realizzazione di energy harvesting, al fine di raggiungere una completa autonomia energetica. Viene sfruttata la tecnica UWB per la comunicazione nella banda (3.1-4.8 GHz); l'energy harvesting si effettua invece a 868 MHz. Sono infine stati ricavati alcuni primi risultati relativi alla potenza rettificabile con la soluzione proposta, tramite realizzazione di un opportuno circuito rettificatore.

Vector meson photoproduction in ultra-peripheral heavy ion collisions with ALICE at the LHC

Ultra-relativistic heavy ions generate strong electromagnetic fields which offer the possibility to study γ-γ and γ-nucleus processes at the LHC in the so called ultra-peripheral collisions (UPC). The photoproduction of J/ψ vector mesons in UPC is sensitive to the gluon distribution of the interacting nuclei. In this thesis the study of coherent and incoherent J/ψ production in Pb-Pb collisions at √sNN = 2.76 TeV is described. The J/ψ has been measured via its leptonic decay in the rapidity range -0.9 < y < 0.9. The cross section for coherent and incoherent J/ψ are given. The results are compared to theoretical models for J/ψ production and the coherent cross section is found to be in good agreement with those models which include nuclear gluon shadowing consistent with EPS09 parametrization. In addition the cross section for the process γ γ→ e+e− has been measured and found to be in agreement with the STARLIGHT Monte Carlo predictions. The analysis has been published by the ALICE Collaboration in the European Physical Journal C, with one of its main plot depicted on the cover-front of the November 2013 issue.

Design and experimental characterization of antennas and wireless systems for innovative wearable and implantable ultra low–power applications

The present PhD thesis exploits the design skills I have been improving since my master thesis’ research. A brief description of the chapters’ content follows. Chapter 1: the simulation of a complete front–end is a very complex problem and, in particular, is the basis upon which the prediction of the overall performance of the system is possible. By means of a commercial EM simulation tool and a rigorous nonlinear/EM circuit co–simulation based on the Reciprocity Theorem, the above–mentioned prediction can be achieved and exploited for wireless links characterization. This will represent the theoretical basics of the entire present thesis and will be supported by two RF applications. Chapter 2: an extensive dissertation about Magneto–Dielectric (MD) materials will be presented, together with their peculiar characteristics as substrates for antenna miniaturization purposes. A designed and tested device for RF on–body applications will be described in detail. Finally, future research will be discussed. Chapter 3: this chapter will deal with the issue regarding the exploitation of renewable energy sources for low–energy consumption devices. Hence the problem related to the so–called energy harvesting will be tackled and a first attempt to deploy THz solar energy in an innovative way will be presented and discussed. Future research will be proposed as well. Chapter 4: graphene is a very promising material for devices to be exploited in the RF and THz frequency range for a wide range of engineering applications, including those ones marked as the main research goal of the present thesis. This chapter will present the results obtained during my research period at the National Institute for Research and Development in Microtechnologies (IMT) in Bucharest, Romania. It will concern the design and manufacturing of antennas and diodes made in graphene–based technology for detection/rectification purposes.

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.

In-situ and real time scanning probe microscopy of organic ultra thin films

In recent decades, Organic Thin Film Transistors (OTFTs) have attracted lots of interest due to their low cost, large area and flexible properties which have brought them to be considered the building blocks of the future organic electronics. Experimentally, devices based on the same organic material deposited in different ways, i.e. by varying the deposition rate of the molecules, show different electrical performance. As predicted theoretically, this is due to the speed and rate by which charge carriers can be transported by hopping in organic thin films, transport that depends on the molecular arrangement of the molecules. This strongly suggests a correlation between the morphology of the organic semiconductor and the performance of the OTFT and hence motivated us to carry out an in-situ real time SPM study of organic semiconductor growth as an almost unprecedent experiment with the aim to fully describe the morphological evolution of the ultra-thin film and find the relevant morphological parameters affecting the OTFT electrical response. For the case of 6T on silicon oxide, we have shown that the growth mechanism is 2D+3D, with a roughening transition at the third layer and a rapid roughening. Relevant morphological parameters have been extracted by the AFM images. We also developed an original mathematical model to estimate theoretically and more accurately than before, the capacitance of an EFM tip in front of a metallic substrate. Finally, we obtained Ultra High Vacuum (UHV) AFM images of 6T at lying molecules layer both on silicon oxide and on top of 6T islands. Moreover, we performed ex-situ AFM imaging on a bilayer film composed of pentacene (a p-type semiconductor) and C60 (an n-type semiconductor).

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.

Stress abiotici e trattamenti ultra-diluiti: effetti fisiologici e molecolari sulla crescita in vitro di frumento

Gli stress abiotici determinando modificazioni a livello fisiologico, biochimico e molecolare delle piante, costituiscono una delle principali limitazioni per la produzione agricola mondiale. Nel 2007 la FAO ha stimato come solamente il 3,5% della superficie mondiale non sia sottoposta a stress abiotici. Il modello agro-industriale degli ultimi cinquant'anni, oltre ad avere contribuito allo sviluppo economico dell'Europa, è stato anche causa di inquinamento di acqua, aria e suolo, mediante uno sfruttamento indiscriminato delle risorse naturali. L'arsenico in particolare, naturalmente presente nell'ambiente e rilasciato dalle attività antropiche, desta particolare preoccupazione a causa dell'ampia distribuzione come contaminante ambientale e per gli effetti di fitotossicità provocati. In tale contesto, la diffusione di sistemi agricoli a basso impatto rappresenta una importante risorsa per rispondere all'emergenza del cambiamento climatico che negli anni a venire sottoporrà una superficie agricola sempre maggiore a stress di natura abiotica. Nello studio condotto è stato utilizzato uno stabile modello di crescita in vitro per valutare l'efficacia di preparati ultra diluiti (PUD), che non contenendo molecole chimiche di sintesi ben si adattano a sistemi agricoli sostenibili, su semi di frumento preventivamente sottoposti a stress sub-letale da arsenico. Sono state quindi condotte valutazioni sia a livello morfometrico (germinazione, lunghezza di germogli e radici) che molecolare (espressione genica valutata mediante analisi microarray, con validazione tramite Real-Time PCR) arricchendo la letteratura esistente di interessanti risultati. In particolare è stato osservato come lo stress da arsenico, determini una minore vigoria di coleptile e radici e a livello molecolare induca l'attivazione di pathways metabolici per proteggere e difendere le cellule vegetali dai danni derivanti dallo stress; mentre il PUD in esame (As 45x), nel sistema stressato ha indotto un recupero nella vigoria di germoglio e radici e livelli di espressione genica simili a quelli riscontrati nel controllo suggerendo un effetto "riequilibrante" del metabolismo vegetale.

Implementation of a VLSI amplifier interfaced with biomedical sensors for ultra wide band data transmission

This thesis presents a CMOS Amplifier with High Common Mode rejection designed in UMC 130nm technology. The goal is to achieve a high amplification factor for a wide range of biological signals (with frequencies in the range of 10Hz-1KHz) and to reject the common-mode noise signal. It is here presented a Data Acquisition System, composed of a Delta-Sigma-like Modulator and an antenna, that is the core of a portable low-complexity radio system; the amplifier is designed in order to interface the data acquisition system with a sensor that acquires the electrical signal. The Modulator asynchronously acquires and samples human muscle activity, by sending a Quasi-Digital pattern that encodes the acquired signal. There is only a minor loss of information translating the muscle activity using this pattern, compared to an encoding technique which uses astandard digital signal via Impulse-Radio Ultra-Wide Band (IR-UWB). The biological signals, needed for Electromyographic analysis, have an amplitude of 10-100μV and need to be highly amplified and separated from the overwhelming 50mV common mode noise signal. Various tests of the firmness of the concept are presented, as well the proof that the design works even with different sensors, such as Radiation measurement for Dosimetry studies.

Celle solari ultra-sottili in silicio

Con l’incremento della popolazione mondiale e la conseguente crescita del fabbisogno di energia dovuta a nuovi lavori e sempre più macchinari in circolazione, è insorta l'esigenza di produrre più energia elettrica. A partire dagli anni ’50 numerosi scienziati hanno analizzato il problema energetico e sono giunti alla conclusione che fonti di energia come petrolio, carbone e gas non erano in grado di soddisfare il bisogno umano sul lungo termine e si è quindi passati alla ricerca di altre fonti di energia come il nucleare. Oggi, grazie ad un progetto ed uno studio di circa 50 anni fa – finalizzato alla alimentazione di satelliti geostazionari - , si sta sempre di più affermando la scelta del fotovoltaico, in quanto rappresenta un’energia pulita e facilmente utilizzabile anche nei luoghi dove non è possibile avere un allaccio alla normale rete elettrica. La ricerca di questo nuovo metodo di produrre energia, che tratta la conversione di luce solare in energia elettrica, si è evoluta, differenziando materiali e metodi di fabbricazione delle celle fotovoltaiche, e quindi anche dei moduli fotovoltaici. Con la crescente produzione di apparati elettronici si è arrivati però ad avere un nuovo problema: il consumo sempre maggiore di silicio con un conseguente aumento di prezzo. Negli ultimi anni il prezzo del silicio è significativamente aumentato e questo va a pesare sull’economia del pannello fotovoltaico, dato che questo materiale incide per il 40-50% sul costo di produzione. Per questo motivo si sono voluti trovare altri materiali e metodi in grado di sostituire il silicio per la costruzione di pannelli fotovoltaici, con il seguire di nuovi studi su materiali e metodi di fabbricazione delle celle. Ma data la conoscenza e lo studio dovuto ai vari utilizzi nell’elettronica del silicio, si è anche studiato un metodo per ottenere una riduzione del silicio utilizzato, creando wafer in silicio sempre più sottili, cercando di abbassare il rapporto costo-watt , in grado di abbassare i costi di produzione e vendita.

Variational Monte Carlo study of the hydrogen electronic structure at ultra-high pressure

Die causa finalis der vorliegenden Arbeit ist das Verständnis des Phasendiagramms von Wasserstoff bei ultrahohen Drücken, welche von nichtleitendem H2 bis hin zu metallischem H reichen. Da die Voraussetzungen für ultrahohen Druck im Labor schwer zu schaffen sind, bilden Computersimulationen ein wichtiges alternatives Untersuchungsinstrument. Allerdings sind solche Berechnungen eine große Herausforderung. Eines der größten Probleme ist die genaue Auswertung des Born-Oppenheimer Potentials, welches sowohl für die nichtleitende als auch für die metallische Phase geeignet sein muss. Außerdem muss es die starken Korrelationen berücksichtigen, die durch die kovalenten H2 Bindungen und die eventuellen Phasenübergänge hervorgerufen werden. Auf dieses Problem haben unsere Anstrengungen abgezielt. Im Kontext von Variationellem Monte Carlo (VMC) ist die Shadow Wave Function (SWF) eine sehr vielversprechende Option. Aufgrund ihrer Flexibilität sowohl lokalisierte als auch delokalisierte Systeme zu beschreiben sowie ihrer Fähigkeit Korrelationen hoher Ordnung zu berücksichtigen, ist sie ein idealer Kandidat für unsere Zwecke. Unglücklicherweise bringt ihre Formulierung ein Vorzeichenproblem mit sich, was die Anwendbarkeit limitiert. Nichtsdestotrotz ist es möglich diese Schwierigkeit zu umgehen indem man die Knotenstruktur a priori festlegt. Durch diesen Formalismus waren wir in der Lage die Beschreibung der Elektronenstruktur von Wasserstoff signifikant zu verbessern, was eine sehr vielversprechende Perspektive bietet. Während dieser Forschung haben wir also die Natur des Vorzeichenproblems untersucht, das sich auf die SWF auswirkt, und dabei ein tieferes Verständnis seines Ursprungs erlangt. Die vorliegende Arbeit ist in vier Kapitel unterteilt. Das erste Kapitel führt VMC und die SWF mit besonderer Ausrichtung auf fermionische Systeme ein. Kapitel 2 skizziert die Literatur über das Phasendiagramm von Wasserstoff bei ultrahohem Druck. Das dritte Kapitel präsentiert die Implementierungen unseres VMC Programms und die erhaltenen Ergebnisse. Zum Abschluss fasst Kapitel 4 unsere Bestrebungen zur Lösung des zur SWF zugehörigen Vorzeichenproblems zusammen.

The dynamics of ultra-thin polymer films in different confinements studied by resonance enhanced dynamic light scattering

Die Kontroverse über den Glasübergang im Nanometerbereich, z. B. die Glas¬über¬gangs-temperatur Tg von dünnen Polymerfilmen, ist nicht vollständig abgeschlossen. Das dynamische Verhalten auf der Nanoskala ist stark von den einschränkenden Bedingungen abhängig, die auf die Probe wirken. Dünne Polymerfilme sind ideale Systeme um die Dynamik von Polymerketten unter der Einwirkung von Randbedingungen zu untersuchen, wie ich sie in dieser Arbeit variiert habe, um Einblick in dieses Problem zu erhalten.rnrnResonanzverstärkte dynamische Lichtstreuung ist eine Methode, frei von z.B. Fluoreszenzmarkern, die genutzt werden kann um in dünnen Polymerfilmen dynamische Phänomene

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.

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.