Análise de desempenho de redes de comunicação wireless em aplicações de Smart Grid

Pós-graduação em Engenharia Elétrica - FEIS

A Low Consumption Real Time Environmental Monitoring System for Smart Cities based on ZigBee Wireless Sensor Network

Nowadays, there is an increasing interest in wireless sensor networks (WSN) for environmental monitoring systems because it can be used to improve the quality of life and living conditions are becoming a major concern to people. This paper describes the design and development of a real time monitoring system based on ZigBee WSN characterized by a lower energy consumption, low cost, reduced dimensions and fast adaptation to the network tree topology. The developed system encompasses an optimized sensing process about environmental parameters, low rate transmission from sensor nodes to the gateway, packet parsing and data storing in a remote database and real time visualization through a web server.

Un framework per applicazioni di monitoraggio e domotica basato su tecnologie android e arduino

Questa tesi tratta dello sviluppo di un progetto chiamato Faxa e di una sua concreta applicazione nell’ambito della domotica (CasaDomotica). Faxa è un framework per la comunicazione via wireless tra dispositivi che supportano il sistema operativo Android e dispositivi Arduino Ethernet, comunicazione che avviene localmente attraverso il wi-fi. Il progetto si inserisce nel panorama più ampio chiamato “Internet of Things”, ovvero internet delle cose, dove ogni oggetto di uso domestico è collegato ad Internet e può essere quindi manipolato attraverso la rete in modo da realizzare una vera e propria “smart house”; perchè ciò si attui occorre sviluppare applicazioni semplici e alla portata di tutti. Il mio contributo comincia con la realizzazione del framework Faxa, così da fornire un supporto semplice e veloce per comporre programmi per Arduino e Android, sfruttando metodi ad alto livello. Il framework è sviluppato su due fronti: sul lato Android è composto sia da funzioni di alto livello, necessarie ad inviare ordini e messaggi all'Arduino, sia da un demone per Android; sul lato Arduino è composto dalla libreria, per inviare e ricevere messaggi. Per Arduino: sfruttando le librerie Faxa ho redatto un programma chiamato “BroadcastPin”. Questo programma invia costantemente sulla rete i dati dei sensori e controlla se ci sono ordini in ricezione. Il demone chiamato “GetItNow” è una applicazione che lavora costantemente in background. Il suo compito è memorizzare tutti i dati contenuti nei file xml inviati da Arduino. Tali dati corrispondono ai valori dei sensori connessi al dispositivo. I dati sono salvati in un database pubblico, potenzialmente accessibili a tutte le applicazioni presenti sul dispositivo mobile. Sul framework Faxa e grazie al demone “GetItNow” ho implementato “CasaDomotica”, un programma dimostrativo pensato per Android in grado di interoperare con apparecchi elettrici collegati ad un Arduino Ethernet, impiegando un’interfaccia video semplice e veloce. L’utente gestisce l’interfaccia per mezzo di parole chiave, a scelta comandi vocali o digitali, e con essa può accendere e spegnere luci, regolare ventilatori, attuare la rilevazione di temperatura e luminosità degli ambienti o quanto altro sia necessario. Il tutto semplicemente connettendo gli apparecchi all’Arduino e adattando il dispositivo mobile con pochi passi a comunicare con gli elettrodomestici.

Comunicazioni wireless ieee 802.15.4 in sistemi a microcontrollore

Studio e realizzazione di una rete wireless di microcontrollori dotati di sensori, che comunicano mediante protocollo ZigBee (basato sul protocollo IEEE 802.15.4).

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.

Valutazione del risparmio di gas serra e bilancio energetico della pirolisi termo catalitica di fanghi da depurazione

I rifiuti rappresentano un’opportunità di crescita sostenibile in termini di riduzione del consumo di risorse naturali e di sviluppo di tecnologie per il riciclo di materia ed il recupero energetico. Questo progetto di ricerca si occupa di valutare, attraverso l’approccio dello studio del ciclo di vita, la valorizzazione energetica di una particolare categoria di rifiuti: i fanghi derivanti dalla depurazione delle acque. Si è studiata la valorizzazione dei fanghi attraverso l’applicazione del Thermo Catalytic Re-forming (TCR)®, tecnologia che consente di trasformare i fanghi in un carburante per la produzione di energia elettrica (bioliquido). Le valutazioni sono effettuate per una linea di processo generale e due configurazioni progettuali declinate in due scenari. Il caso di studio è stato riferito al depuratore di S. Giustina (Rimini). Per la linea di processo, per ognuna delle configurazioni e i relativi scenari, è stato compilato il bilancio energetico e di massa e, conseguentemente, valutata l’efficienza energetica del processo. Le regole della Renewable Energy Directive (RED), applicate attraverso lo strumento ‘BioGrace I’, permettono di definire il risparmio di gas serra imputabile al bioliquido prodotto. I risultati mostrano che adottare la tecnologia TRC® risulta essere energeticamente conveniente. Infatti, è possibile ricavare dal 77 al 111% del fabbisogno energetico di una linea di processo generale (linea fanghi convenzionale e recupero energetico TCR®). Questo permette, quindi, di ricavare energia utile al processo di depurazione. La massima performance si realizza quando la tecnologia si trova a valle di una linea di trattamento fanghi priva di digestione anaerobica e se il biochar prodotto viene utilizzato come combustibile solido sostitutivo del carbone. La riduzione delle emissioni imputabile al bioliquido prodotto va dal 53 al 75%, valori che soddisfano il limite definito dalla RED del 50% di riduzione delle emissioni (2017) per ogni configurazione progettuale valutata.

Smart shower: un sistema intelligente basato su internet of things per la gestione delle docce in impianti sportivi e piscine

La seguente tesi ha come scopo la progettazione e la realizzazione di un sistema intelligente per la gestione e il monitoraggio dell'acqua in impianti facenti uso di docce attraverso 'l'Internet Of Things', con l'obiettivo di ridurre gli sprechi favorendo cosi un risparmio sia di tipo energetico sia di tipo idrico. Stabiliti i requisiti si passa alla fase di progettazione dove vengono analizzate tutte le funzionalità che il sistema deve soddisfare. Segue la fase di implementazione, il cui scopo e realizzare concretamente le funzionalità producendo un prototipo iniziale. Quest'ultimo sara sottoposto ad eventuali test per verificare il corretto funzionamento del sistema e delle singole parti che lo costituiscono.

A smart multi-hop hierarchical routing protocol for efficient video communication over wireless multimedia sensor networks

For smart applications, nodes in wireless multimedia sensor networks (MWSNs) have to take decisions based on sensed scalar physical measurements. A routing protocol must provide the multimedia delivery with quality level support and be energy-efficient for large-scale networks. With this goal in mind, this paper proposes a smart Multi-hop hierarchical routing protocol for Efficient VIdeo communication (MEVI). MEVI combines an opportunistic scheme to create clusters, a cross-layer solution to select routes based on network conditions, and a smart solution to trigger multimedia transmission according to sensed data. Simulations were conducted to show the benefits of MEVI compared with the well-known Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy (LEACH) protocol. This paper includes an analysis of the signaling overhead, energy-efficiency, and video quality.

A Smart TCP Acknowledgment Approach for Multihop Wireless Networks

Reliable data transfer is one of the most difficult tasks to be accomplished in multihop wireless networks. Traditional transport protocols like TCP face severe performance degradation over multihop networks given the noisy nature of wireless media as well as unstable connectivity conditions in place. The success of TCP in wired networks motivates its extension to wireless networks. A crucial challenge faced by TCP over these networks is how to operate smoothly with the 802.11 wireless MAC protocol which also implements a retransmission mechanism at link level in addition to short RTS/CTS control frames for avoiding collisions. These features render TCP acknowledgments (ACK) transmission quite costly. Data and ACK packets cause similar medium access overheads despite the much smaller size of the ACKs. In this paper, we further evaluate our dynamic adaptive strategy for reducing ACK-induced overhead and consequent collisions. Our approach resembles the sender side's congestion control. The receiver is self-adaptive by delaying more ACKs under nonconstrained channels and less otherwise. This improves not only throughput but also power consumption. Simulation evaluations exhibit significant improvement in several scenarios

Smart parking service based on wireless sensor networks

n this paper, we present the design and implementation of a prototype system of Smart Parking Services based on Wireless Sensor Networks (WSNs) that allows vehicle drivers to effectively find the free parking places. The proposed scheme consists of wireless sensor networks, embedded web-server, central web-server and mobile phone application. In the system, low-cost wireless sensors networks modules are deployed into each parking slot equipped with one sensor node. The state of the parking slot is detected by sensor node and is reported periodically to embedded web-server via the deployed wireless sensor networks. This information is sent to central web-server using Wi-Fi networks in real-time, and also the vehicle driver can find vacant parking lots using standard mobile devices.

Meter data management for smart monitoring power networks

The electrical power distribution and commercialization scenario is evolving worldwide, and electricity companies, faced with the challenge of new information requirements, are demanding IT solutions to deal with the smart monitoring of power networks. Two main challenges arise from data management and smart monitoring of power networks: real-time data acquisition and big data processing over short time periods. We present a solution in the form of a system architecture that conveys real time issues and has the capacity for big data management.

Un sistema di domotica per il controllo energetico domestico con tecnologie open-source.

Data la sempre maggiore richiesta di fabbisogno energetico, si è sviluppata una nuova filosofia nella gestione dei consumi energetici, il DSM (demand side management), che ha lo scopo di incoraggiare il consumatore ad usare energia in modo più intelligente e coscienzioso. Questo obiettivo, unito all’accumulo di energia da fonti rinnovabili, permetterà un abbassamento dell’utilizzo dell’energia elettrica proveniente dal consumo di fonti non rinnovabili e altamente inquinanti come quelle a combustibili fossili ed una diminuzione sia del consumo energetico, sia del costo per produrre energia che dell’energia stessa. L’home automation e la domotica in ambiente domestico rappresentano un esempio di DSM. L’obiettivo di questa tesi è quello di creare un sistema di home automation utilizzando tecnologie opensource. Sono stati utilizzati device come board Arduino UNO, Raspberry Pi ed un PC con sistema operativo GNU/Linux per creare una simulazione di un sistema di home automation abbinato alla gestione di celle fotovoltaiche ed energy storaging. Il sistema permette di poter spegnere un carico energetico in base a delle particolari circostanze come, per esempio, il superamento di una certa soglia di consumo di energia elettrica. Il software utilizzato è opensource e mira a poter ottimizzare il consumo energetico secondo le proprie finalità. Il tutto a dimostrare che si può creare un sistema di home automation da abbinare con il presente e futuro delle fonti rinnovabili utilizzando tecnologie libere in modo tale da preservare privacy e security oltre che customizzazione e possibilità di adattamento a diverse circostanze. Nella progettazione del sistema è stato implementato un algoritmo per gestire varie situazioni all’interno di un ambiente domestico. La realizzazione di tale algoritmo ha prodotto ottimi risultati nella raggiungimento degli obiettivi prefissati. Il progetto di questa tesi può essere ulteriormente ampliato ed il codice è reperibile in un repository pubblico.

Clinical factors and technological barriers as determinants for the intention to use wireless handheld technology in healthcare environment: an Indian case study

Abstract]: Traditional technology adoption models identified ‘ease of use’ and ‘usefulness’ as the dominating factors for technology adoption. However, recent studies in healthcare have established that these two factors are not always reliable on their own and other factors may influence technology adoption. To establish the identity of these additional factors, a mixed method approach was used and data were collected through interviews and a survey. The survey instrument was specifically developed for this study so that it is relevant to the Indian healthcare setting. We identified clinical management and technological barriers as the dominant factors influencing the wireless handheld technology adoption in the Indian healthcare environment. The results of this study showed that new technology models will benefit by considering the clinical influences of wireless handheld technology, in addition to known factors. The scope of this study is restricted to wireless handheld devices such as PDAs, smart phones, and handheld PCs Gururajan, Raj and Hafeez-Baig, Abdul and Gururajan, Vijaya

Performance enhancement of smart antennas with reduced element spacing

This paper addresses the problem of degradations in adaptive digital beam-forming (DBF) systems caused by mutual coupling between array elements. The focus is on compact arrays with reduced element spacing and, hence, strongly coupled elements. Deviations in the radiation patterns of coupled and (theoretically) uncoupled elements can be compensated for by weight-adjustments in DBF, but SNR degradation due to impedance mismatches cannot be compensated for via signal processing techniques. It is shown that this problem can be overcome via the implementation of a RF-decoupling-network. SNR enhancement is achieved at the cost of a reduced frequency bandwidth and an increased sensitivity to dissipative losses in the antenna and matching network structure.