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.

Indoor positioning system for mobile devices using radio frequency and perfect sequences

Recent advancements in the area of nanotechnology have brought us into a new age of pervasive computing devices. These computing devices grow ever smaller and are being used in ways which were unimaginable before. Recent interest in developing a precise indoor positioning system, as opposed to existing outdoor systems, has given way to much research heading into the area. The use of these small computing devices offers many conveniences for usage in indoor positioning systems. This thesis will deal with using small computing devices Raspberry Pi’s to enable and improve position estimation of mobile devices within closed spaces. The newly patented Orthogonal Perfect DFT Golay coding sequences will be used inside this scenario, and their positioning properties will be tested. After that, testing and comparisons with other coding sequences will be done.

Analisi e sviluppo di un sistema produttivo riconfigurabile (RMS) per un componente meccanico

L’intensificarsi della concorrenza globale, il rapido sviluppo delle tecnologie e le mutevoli richieste dei clienti hanno portato a una tendenza verso maggiori differenze nei requisiti dei clienti, maggiore necessità di personalizzazione, cicli di vita dei prodotti sempre più brevi e la necessità di una rapida introduzione di nuovi prodotti. I produttori devono tenere conto di queste nuove tendenze e devono essere in grado di fronteggiarle per ottenere un vantaggio competitivo. I sistemi di produzione riconfigurabili RMS sono adatti nella gestione di queste richieste in quanto il sistema può essere continuamente riconfigurato per adattarsi alle richieste del mercato in termini di volumi richiesti e personalizzazione esatta dai clienti. Lo sviluppo effettivo di RMS risulta, ad oggi, molto impegnativo per le aziende e questo è il principale motivo per il quale si ricorre ancora a sistemi di produzione maggiormente tradizionali come DMS e FMS. Questo elaborato definisce le caratteristiche fondamentali ed i principi di progettazione dei RMS, facendone un confronto con quelle dei sistemi DMS e FMS. Successivamente, partendo da un esempio industriale e seguendo i principi fondamentali dei RMS, si sviluppano dei concept di linea produttiva, con celle e stazioni idonee allo sviluppo di un sistema riconfigurabile. In ultima analisi, presso il laboratorio dell’Università di Aalborg, in Danimarca, vengono condotte prove pratiche sulla linea di produzione riconfigurabile Festo. Queste hanno permesso di mettere in luce gli aspetti di forza e le criticità di tali sistemi. Infine, vengono proposte idee per rendere più efficaci i RMS e vengono brevemente illustrate altre possibili tipologie di riconfigurazione in cui viene completamente stravolto il concetto di linea di produzione odierno.

Spacecraft Collision Probability Calculation from Conjunction Data Message and High Precision Orbit Propagator

The increasing number of Resident Space Objects (RSOs) is a threat to spaceflight operations. Conjunction Data Messages (CDMs) are sent to satellite operators to warn for possible future collision and their probabilities. The research project described herein pushed forward an algorithm that is able to update the collision probability directly on-board starting from CDMs and the state vector of the hosting satellite which is constantly updated thanks to an onboard GNSS receiver. A large set of methods for computing the collision probability was analyzed in order to find the best ones for this application. The selected algorithm was then tested to assess and improve its performance. Finally, parts of the algorithm and external software were implemented on a Raspberry Pi 3B+ board to demonstrate the compatibility of this approach with computational resources similar to those typically available onboard modern spacecraft.

Design and implementation of a vibrational condition monitoring system

Industrial companies, particularly those with induction motors and gearboxes as integral components of their systems, are utilizing Condition Monitoring (CM) systems more frequently in order to discover the need for maintenance in advance, as traditional maintenance only performs tasks when a failure has been identified. Utilizing a CM system is essential to boost productivity and minimize long-term failures that result in financial loss. The more exact and practical the CM system, the better the data analysis, which adds to a more precise maintenance forecast. This thesis project is a cooperation with PEI Vibration Monitoring s.r.l. to design and construct a low-cost vibrational condition monitoring system to check the health of induction motors and gearboxes automatically. Moreover, according to the company's request, such a system should have specs comparable to NI 9234, one of the company's standard Data Acquisition (DAQ) boards, but at a significantly cheaper price. Additionally, PEI VM Company has supplied all hardware and electronic components. The suggested CM system is capable of highprecision autonomous monitoring of induction motors and gearboxes, and it consists of a Raspberry Pi 3B and MCC 172 DAQ board.

Piattaforme per Internet of Things: Windows IoT Core come caso di studio

Questa tesi si pone l'obiettivo di esplorare alcuni aspetti di uno dei settori più in crescita in questi anni (e nei prossimi) in ambito informatico: \textbf{Internet of Things}, con un occhio rivolto in particolar modo a quelle che sono le piattaforme di sviluppo disponibili in questo ambito. Con queste premesse, si coglie l'occasione per addentrarsi nella scoperta della piattaforma realizzata e rilasciata da pochi mesi da uno dei colossi del mercato IT: Microsoft. Nel primo capitolo verrà trattato Internet of Things in ambito generale, attraverso una panoramica iniziale seguita da un'analisi approfondita dei principali protocolli sviluppati per questa tecnologia. Nel secondo capitolo verranno elencate una serie di piattaforme open source disponibili ad oggi per lo sviluppo di sistemi IoT. Dal terzo capitolo verrà incentrata l'attenzione sulle tecnologie Microsoft, in particolare prima si tratterà Windows 10 in generale, comprendendo \emph{UWP Applications}. Di seguito, nel medesimo capitolo, sarà focalizzata l'attenzione su Windows IoT Core, esplorandolo dettagliatamente (Windows Remote Arduino, Modalità Headed/Headless, etc.). Il capitolo a seguire concernerà la parte progettuale della tesi, comprendendo lo sviluppo del progetto \textbf{Smart Parking} in tutte le sue fasi (dei Requisiti fino ad Implementazione e Testing). Nel quinto (ed ultimo) capitolo, saranno esposte le conclusioni relative a Windows IoT Core e i suoi vantaggi/svantaggi.

Embedded Service Bus for Internet of Things Interoperability

Internet of Things (IoT) technologies are developing rapidly, and therefore there exist several standards of interconnection protocols and platforms. The existence of heterogeneous protocols and platforms has become a critical challenge for IoT system developers. To mitigate this challenge, few alliances and organizations have taken the initiative to build a framework that helps to integrate application silos. Some of these frameworks focus only on a specific domain like home automation. However, the resource constraints in the large proportion of connected devices make it difficult to build an interoperable system using such frameworks. Therefore, a general purpose, lightweight interoperability framework that can be used for a range of devices is required. To tackle the heterogeneous nature, this work introduces an embedded, distributed and lightweight service bus, Lightweight IoT Service bus Architecture (LISA), which fits inside the network stack of a small real-time operating system for constrained nodes. LISA provides a uniform application programming interface for an IoT system on a range of devices with variable resource constraints. It hides platform and protocol variations underneath it, thus facilitating interoperability in IoT implementations. LISA is inspired by the Network on Terminal Architecture, a service centric open architecture by Nokia Research Center. Unlike many other interoperability frameworks, LISA is designed specifically for resource constrained nodes and it provides essential features of a service bus for easy service oriented architecture implementation. The presented architecture utilizes an intermediate computing layer, a Fog layer, between the small nodes and the cloud, thereby facilitating the federation of constrained nodes into subnetworks. As a result of a modular and distributed design, the part of LISA running in the Fog layer handles the heavy lifting to assist the lightweight portion of LISA inside the resource constrained nodes. Furthermore, LISA introduces a new networking paradigm, Node Centric Networking, to route messages across protocol boundaries to facilitate interoperability. This thesis presents a concept implementation of the architecture and creates a foundation for future extension towards a comprehensive interoperability framework for IoT.

Integration of wireless sensor networks to the internet of things using a 6LoWPAN Gateway

The Internet of Things is a new paradigm where smart embedded devices and systems are connected to the Internet. In this context, Wireless Sensor Networks (WSN) are becoming an important alternative for sensing and actuating critical applications like industrial automation, remote patient monitoring and domotics. The IEEE 802.15.4 protocol has been adopted as a standard for WSN and the 6LoWPAN protocol has been proposed to overcome the challenges of integrating WSN and Internet protocols. In this paper, the mechanisms of header compression and fragmentation of IPv6 datagrams proposed in the 6LoWPAN standard were evaluated through field experiments using a gateway prototype and IEEE 802.15.4 nodes.

Integrating wireless sensor networks and internet of things: A coap-based approach

L'obiettivo su cui è stata basata questa Tesi di Laurea è stato quello di integrare la tecnologia delle Wireless Sensor Networks (WSN) al contesto dell'Internet delle cose (IoT). Per poter raggiungere questo obiettivo, il primo passo è stato quello di approfondire il concetto dell'Internet delle cose, in modo tale da comprendere se effettivamente fosse stato possibile applicarlo anche alle WSNs. Quindi è stata analizzata l'architettura delle WSNs e successivamente è stata fatta una ricerca per capire quali fossero stati i vari tipi di sistemi operativi e protocolli di comunicazione supportati da queste reti. Infine sono state studiate alcune IoT software platforms. Il secondo passo è stato quindi di implementare uno stack software che abilitasse la comunicazione tra WSNs e una IoT platform. Come protocollo applicativo da utilizzare per la comunicazione con le WSNs è stato usato CoAP. Lo sviluppo di questo stack ha consentito di estendere la piattaforma SensibleThings e il linguaggio di programmazione utilizzato è stato Java. Come terzo passo è stata effettuata una ricerca per comprendere a quale scenario di applicazione reale, lo stack software progettato potesse essere applicato. Successivamente, al fine di testare il corretto funzionamento dello stack CoAP, è stata sviluppata una proof of concept application che simulasse un sistema per la rilevazione di incendi. Questo scenario era caratterizzato da due WSNs che inviavano la temperatura rilevata da sensori termici ad un terzo nodo che fungeva da control center, il cui compito era quello di capire se i valori ricevuti erano al di sopra di una certa soglia e quindi attivare un allarme. Infine, l'ultimo passo di questo lavoro di tesi è stato quello di valutare le performance del sistema sviluppato. I parametri usati per effettuare queste valutazioni sono stati: tempi di durata delle richieste CoAP, overhead introdotto dallo stack CoAP alla piattaforma Sensible Things e la scalabilità di un particolare componente dello stack. I risultati di questi test hanno mostrato che la soluzione sviluppata in questa tesi ha introdotto un overheadmolto limitato alla piattaforma preesistente e inoltre che non tutte le richieste hanno la stessa durata, in quanto essa dipende dal tipo della richiesta inviata verso una WSN. Tuttavia, le performance del sistema potrebbero essere ulteriormente migliorate, ad esempio sviluppando un algoritmo che consenta la gestione concorrente di richieste CoAP multiple inviate da uno stesso nodo. Inoltre, poichè in questo lavoro di tesi non è stato considerato il problema della sicurezza, una possibile estensione al lavoro svolto potrebbe essere quello di implementare delle politiche per una comunicazione sicura tra Sensible Things e le WSNs.

Tuning remoto di filtering, pre-processing e buffering per scenari internet of things

La tesi propone una soluzione middleware per scenari in cui i sensori producono un numero elevato di dati che è necessario gestire ed elaborare attraverso operazioni di preprocessing, filtering e buffering al fine di migliorare l'efficienza di comunicazione e del consumo di banda nel rispetto di vincoli energetici e computazionali. E'possibile effettuare l'ottimizzazione di questi componenti attraverso operazioni di tuning remoto.

Ideazione di sistemi distribuiti collaborativi basati su realta aumentata mobile: Un caso di studio, con approfondimento relativo al livello della cooperazione

Dall'inizio del nuovo millennio lo sviluppo di tecnologie nel campo del mobile computing, della rete internet, lo sviluppo dell'Internet of things e pure il cloud computing hanno reso possibile l'innovazione dei metodi di lavoro e collaborazione. L'evoluzione del mobile computing e della realtà aumentata che sta avvenendo in tempi più recenti apre potenzialmente nuovi orizzonti nello sviluppo di sistemi distribuiti collaborativi. Esistono oggi diversi framework a supporto della realtà aumentata, Wikitude, Metaio, Layar, ma l'interesse primario di queste librerie è quello di fornire una serie di API fondamentali per il rendering di immagini 3D attraverso i dispositivi, per lo studio dello spazio in cui inserire queste immagini e per il riconoscimento di marker. Questo tipo di funzionalità sono state un grande passo per quanto riguarda la Computer Graphics e la realtà aumentata chiaramente, però aprono la strada ad una Augmented Reality(AR) ancora più aumentata. Questa tesi si propone proprio di presentare l'ideazione, l'analisi, la progettazione e la prototipazione di un sistema distribuito situato a supporto della collaborazione basato su realtà aumentata. Lo studio di questa applicazione vuole mettere in luce molti aspetti innovativi e che ancora oggi non sono stati approfonditi né tanto meno sviluppati come API o forniti da librerie riguardo alla realtà aumentata e alle sue possibili applicazioni.

Vending Machines avanzate basate su principi di Physical Web e Internet of Things

La costante evoluzione tecnologica sta portando alla luce nuove possibilità, che un tempo non erano nemmeno immaginabili. Uno dei settori che si è rivoluzionato maggiormente negli ultimi anni è quello delle telecomunicazioni e questo ha portato sia a una riduzione dei costi per le connessioni a Internet, sia ad un aumento delle loro capacità e prestazioni; di conseguenza queste connessioni sono diventate più accessibili e affidabili permettendo alle persone e alle cose di accedere a Internet quasi ininterrottamente. Questo sviluppo sta portando innumerevoli benefici, ma come ciascuna innovazione tecnologica, tuttavia, i benefici si accompagnano a nuove sfide. In questo elaborato viene dapprima analizzato lo stato dell’arte, i benefici, le problematiche e gli attuali interessi da parte di alcuni dei maggiori player verso l’Internet of Things. Vengono poi prese in considerazione due problematiche: l'individuazione e l'interazione con gli oggetti connessi a Internet, portando come esempio l'utilizzo e la ricerca di una vending machine, un distributore automatico. Proponendo una soluzione, in primo luogo è stato effettuato lo sviluppo di un ecosistema che sfrutta le potenzialità del Physical Web, implementando ad hoc ogni componente, dall'emissione del beacon Eddystone-URL alla visualizzazione della pagina ad esso associata. In secondo luogo questa è stata creata un'applicazione Android che sfrutta l'altro tipo di frame offerto dalla piattaforma beacon di Google, l'Eddystone-UID. Queste due applicazioni vengono quindi analizzate e messe a confronto, per individuare i punti forti e le mancanze delle rispettive piattaforme.

Open Technologies for prototyping the Internet of Things

The worldwide "hyper-connection" of any object around us is the challenge that promises to cover the paradigm of the Internet of Things. If the Internet has colonized the daily life of more than 2000 million1 people around the globe, the Internet of Things faces of connecting more than 100000 million2 "things" by 2020. The underlying Internet of Things’ technologies are the cornerstone that promises to solve interrelated global problems such as exponential population growth, energy management in cities, and environmental sustainability in the average and long term. On the one hand, this Project has the goal of knowledge acquisition about prototyping technologies available in the market for the Internet of Things. On the other hand, the Project focuses on the development of a system for devices management within a Wireless Sensor and Actuator Network to offer some services accessible from the Internet. To accomplish the objectives, the Project will begin with a detailed analysis of various “open source” hardware platforms to encourage creative development of applications, and automatically extract information from the environment around them for transmission to external systems. In addition, web platforms that enable mass storage with the philosophy of the Internet of Things will be studied. The project will culminate in the proposal and specification of a service-oriented software architecture for embedded systems that allows communication between devices on the network, and the data transmission to external systems. Furthermore, it abstracts the complexities of hardware to application developers. RESUMEN. La “hiper-conexión” a nivel mundial de cualquier objeto que nos rodea es el desafío al que promete dar cobertura el paradigma de la Internet de las Cosas. Si la Internet ha colonizado el día a día de más de 2000 millones1 de personas en todo el planeta, la Internet de las Cosas plantea el reto de conectar a más de 100000 millones2 de “cosas” para el año 2020. Las tecnologías subyacentes de la Internet de las Cosas son la piedra angular que prometen dar solución a problemas globales interrelacionados como el crecimiento exponencial de la población, la gestión de la energía en las ciudades o la sostenibilidad del medioambiente a largo plazo. Este Proyecto Fin de Carrera tiene como principales objetivos por un lado, la adquisición de conocimientos acerca de las tecnologías para prototipos disponibles en el mercado para la Internet de las Cosas, y por otro lado el desarrollo de un sistema para la gestión de dispositivos de una red inalámbrica de sensores que ofrezcan unos servicios accesibles desde la Internet. Con el fin de abordar los objetivos marcados, el proyecto comenzará con un análisis detallado de varias plataformas hardware de tipo “open source” que estimulen el desarrollo creativo de aplicaciones y que permitan extraer de forma automática información del medio que les rodea para transmitirlo a sistemas externos para su posterior procesamiento. Por otro lado, se estudiarán plataformas web identificadas con la filosofía de la Internet de las Cosas que permitan el almacenamiento masivo de datos que diferentes plataformas hardware transfieren a través de la Internet. El Proyecto culminará con la propuesta y la especificación una arquitectura software orientada a servicios para sistemas empotrados que permita la comunicación entre los dispositivos de la red y la transmisión de datos a sistemas externos, así como facilitar el desarrollo de aplicaciones a los programadores mediante la abstracción de la complejidad del hardware.

Internet of Things collaborativo: progettazione ed analisi di una piattaforma di aggregazione di dati sensoristici

Internet ha rivoluzionato il modo di comunicare degli individui. Siamo testimoni della nascita e dello sviluppo di un'era caratterizzata dalla disponibilità di informazione libera e accessibile a tutti. Negli ultimi anni grazie alla diffusione di smartphone, tablet e altre tipologie di dispositivi connessi, è cambiato il fulcro dell'innovazione spostandosi dalle persone agli oggetti. E' così che nasce il concetto di Internet of Things, termine usato per descrivere la rete di comunicazione creata tra i diversi dispositivi connessi ad Internet e capaci di interagire in autonomia. Gli ambiti applicativi dell'Internet of Things spaziano dalla domotica alla sanità, dall'environmental monitoring al concetto di smart cities e così via. L'obiettivo principale di tale disciplina è quello di migliorare la vita delle persone grazie a sistemi che siano in grado di interagire senza aver bisogno dell'intervento dell'essere umano. Proprio per la natura eterogenea della disciplina e in relazione ai diversi ambiti applicativi, nell'Internet of Things si può incorrere in problemi derivanti dalla presenza di tecnologie differenti o di modalità eterogenee di memorizzazione dei dati. A questo proposito viene introdotto il concetto di Internet of Things collaborativo, termine che indica l'obiettivo di realizzare applicazioni che possano garantire interoperabilità tra i diversi ecosistemi e tra le diverse fonti da cui l'Internet of Things attinge, sfruttando la presenza di piattaforme di pubblicazione di Open Data. L'obiettivo di questa tesi è stato quello di creare un sistema per l'aggregazione di dati da due piattaforme, ThingSpeak e Sparkfun, con lo scopo di unificarli in un unico database ed estrarre informazioni significative dai dati tramite due tecniche di Data Mining: il Dictionary Learning e l'Affinity Propagation. Vengono illustrate le due metodologie che rientrano rispettivamente tra le tecniche di classificazione e di clustering.