Progettazione e Implementazione di un modulo di Power Management per Smart Environments

Progettazione ed implementazione di un modulo che gestisca il consumo di energia in uno Smart Environment, contestualizzato nell'ambito di un progetto europeo, SOFIA (Smart Object For Intelligent Applications), che ambisce ad accelerare l'integrazione di oggetti intelligenti nella vita quotidiana. Il consumo energetico da gestire e' quello di una rete di sensori; e' stato dimostrato che, riducendo le trasmissioni di dati tra sensori ed il resto della rete, le batterie durano quasi il doppio del tempo e, di conseguenza, la vita della rete e' raddoppiata, con vantaggi evidenti per l'ambiente.

Progetto ed implementazione di protocolli a basso consumo energetico per reti wireless

"I computer del nuovo millennio saranno sempre più invisibili, o meglio embedded, incorporati agli oggetti, ai mobili, anche al nostro corpo. L'intelligenza elettronica sviluppata su silicio diventerà sempre più diffusa e ubiqua. Sarà come un'orchestra di oggetti interattivi, non invasivi e dalla presenza discreta, ovunque". [Mark Weiser, 1991] La visione dell'ubiquitous computing, prevista da Weiser, è ormai molto vicina alla realtà e anticipa una rivoluzione tecnologica nella quale l'elaborazione di dati ha assunto un ruolo sempre più dominante nella nostra vita quotidiana. La rivoluzione porta non solo a vedere l'elaborazione di dati come un'operazione che si può compiere attraverso un computer desktop, legato quindi ad una postazione fissa, ma soprattutto a considerare l'uso della tecnologia come qualcosa di necessario in ogni occasione, in ogni luogo e la diffusione della miniaturizzazione dei dispositivi elettronici e delle tecnologie di comunicazione wireless ha contribuito notevolmente alla realizzazione di questo scenario. La possibilità di avere a disposizione nei luoghi più impensabili sistemi elettronici di piccole dimensioni e autoalimentati ha contribuito allo sviluppo di nuove applicazioni, tra le quali troviamo le WSN (Wireless Sensor Network), ovvero reti formate da dispositivi in grado di monitorare qualsiasi grandezza naturale misurabile e inviare i dati verso sistemi in grado di elaborare e immagazzinare le informazioni raccolte. La novità introdotta dalle reti WSN è rappresentata dalla possibilità di effettuare monitoraggi con continuità delle più diverse grandezze fisiche, il che ha consentito a questa nuova tecnologia l'accesso ad un mercato che prevede una vastità di scenari indefinita. Osservazioni estese sia nello spazio che nel tempo possono essere inoltre utili per poter ricavare informazioni sull'andamento di fenomeni naturali che, se monitorati saltuariamente, non fornirebbero alcuna informazione interessante. Tra i casi d'interesse più rilevanti si possono evidenziare: - segnalazione di emergenze (terremoti, inondazioni) - monitoraggio di parametri difficilmente accessibili all'uomo (frane, ghiacciai) - smart cities (analisi e controllo di illuminazione pubblica, traffico, inquinamento, contatori gas e luce) - monitoraggio di parametri utili al miglioramento di attività produttive (agricoltura intelligente, monitoraggio consumi) - sorveglianza (controllo accessi ad aree riservate, rilevamento della presenza dell'uomo) Il vantaggio rappresentato da un basso consumo energetico, e di conseguenza un tempo di vita della rete elevato, ha come controparte il non elevato range di copertura wireless, valutato nell'ordine delle decine di metri secondo lo standard IEEE 802.15.4. Il monitoraggio di un'area di grandi dimensioni richiede quindi la disposizione di nodi intermedi aventi le funzioni di un router, il cui compito sarà quello di inoltrare i dati ricevuti verso il coordinatore della rete. Il tempo di vita dei nodi intermedi è di notevole importanza perché, in caso di spegnimento, parte delle informazioni raccolte non raggiungerebbero il coordinatore e quindi non verrebbero immagazzinate e analizzate dall'uomo o dai sistemi di controllo. Lo scopo di questa trattazione è la creazione di un protocollo di comunicazione che preveda meccanismi di routing orientati alla ricerca del massimo tempo di vita della rete. Nel capitolo 1 vengono introdotte le WSN descrivendo caratteristiche generali, applicazioni, struttura della rete e architettura hardware richiesta. Nel capitolo 2 viene illustrato l'ambiente di sviluppo del progetto, analizzando le piattaforme hardware, firmware e software sulle quali ci appoggeremo per realizzare il progetto. Verranno descritti anche alcuni strumenti utili per effettuare la programmazione e il debug della rete. Nel capitolo 3 si descrivono i requisiti di progetto e si realizza una mappatura dell'architettura finale. Nel capitolo 4 si sviluppa il protocollo di routing, analizzando i consumi e motivando le scelte progettuali. Nel capitolo 5 vengono presentate le interfacce grafiche utilizzate utili per l'analisi dei dati. Nel capitolo 6 vengono esposti i risultati sperimentali dell'implementazione fissando come obiettivo il massimo lifetime della rete.

Smart environment technology as a possible enabler of smart cities

This paper discusses the technology of smart floors as a enabler of smart cities. The discussion will be based on technology that is embedded into the environment that enable location, navigation but also wireless power transmission for powering up elements siting on it, typically mobile devices. One of those examples is the smart floor, this implementation follows two paths, one where the floor is passive, and normally passive RFID's are embedded into the floor, they are used to provide intelligence into the surrounding space, this is normally complemented with a battery powered mobile unit that scans the floor for the sensors and communicates the information to a database which locates the mobile device in the environment. The other path for the smart city enabler is where the floor is active and delivers energy for the objects standing on top of it. In this paper these two approaches will be presented, by discussing the technology behind it. © 2014 IEEE.

Smart Sensors For Interoperable Smart Environment

Smart Environments are currently considered a key factor to connect the physical world with the information world. A Smart Environment can be defined as the combination of a physical environment, an infrastructure for data management (called Smart Space), a collection of embedded systems gathering heterogeneous data from the environment and a connectivity solution to convey these data to the Smart Space. With this vision, any application which takes advantages from the environment could be devised, without the need to directly access to it, since all information are stored in the Smart Space in a interoperable format. Moreover, according to this vision, for each entity populating the physical environment, i.e. users, objects, devices, environments, the following questions can be arise: “Who?”, i.e. which are the entities that should be identified? “Where?” i.e. where are such entities located in physical space? and “What?” i.e. which attributes and properties of the entities should be stored in the Smart Space in machine understandable format, in the sense that its meaning has to be explicitly defined and all the data should be linked together in order to be automatically retrieved by interoperable applications. Starting from this the location detection is a necessary step in the creation of Smart Environments. If the addressed entity is a user and the environment a generic environment, a meaningful way to assign the position, is through a Pedestrian Tracking System. In this work two solution for these type of system are proposed and compared. One of the two solution has been studied and developed in all its aspects during the doctoral period. The work also investigates the problem to create and manage the Smart Environment. The proposed solution is to create, by means of natural interactions, links between objects and between objects and their environment, through the use of specific devices, i.e. Smart Objects

Valutazione delle prestazioni di processori a basso consumo energetico in applicazioni parallele

In questo lavoro di tesi sono state impiegate le librerie grafiche OpenGL ES 2 per eseguire calcoli paralleli sulla GPU del Raspberry Pi. Sono stati affrontati e discussi concetti riguanrdati il calcolo parallelo, stream processing, GPGPU e le metriche di valutazione di algoritmi paralleli. Sono inoltre descritte le potenzialita e le limitazioni derivanti dall'impiego di OpenGL per implementare algoritmi paralleli. In particolare si e fatto riferimento all'algoritmo Seam Carving per il restringimento di immagini, realizzando e valutando una implementazione parallela di questo sul Raspberry Pi.

Consumo energetico dei forni elettrici ad uso domestico: rassegna dei modelli matematici

Un forno è un oggetto costituito da una camera vuota, definita cavità, che espone in maniera controllata i materiali posti al suo interno ad un ambiente caldo. Esistono diversi tipi di forni (a gas, elettrici, a microonde, a legna) e sono utilizzati con diversi scopi a seconda delle dimensioni e di come generano il calore. Il prodotto alimentare viene cotto in forno attraverso la trasmissione di calore per irraggiamento, per convezione o per una combinazione di entrambi. Questo processo di riscaldamento richiede un elevato dispendio di energia, di cui solo il 20-25% è utilizzato per riscaldare il cibo in preparazione. I forni nello specifico sono responsabili di circa il 10-12% dell’impatto ambientale complessivo degli edifici civili, collocandosi tra i peggiori elettrodomestici in termini di efficienza energetica. A ragione di ciò, l’industria dei forni è stimolata a sviluppare tecnologie sempre più efficienti, attraverso la ricerca di un miglior controllo della temperatura interna del forno. Sono state redatte due normative europee, EN 60350 e EN 50304, che stabiliscono procedure di raccolta dati e calcolo dell’efficienza energetica di un forno per guidare i costruttori verso una progettazione a minor impatto energetico, che permetta loro di restare competitivi sul mercato. L’obiettivo del seguente lavoro bibliografico è stato quello di descrivere in maniera dettagliata le normative inerenti la determinazione dell’efficienza energetica dei forni domestici. Inoltre, è stata redatta una rassegna sistematica degli studi scientifici riguardanti la valutazione del consumo energico mediante modelli matematici.

Repertory of best practices to mitigate the effects of climate change and expand the resilience of the Built Environment.

The way we live has revealed a lot about the choices made in the last decades. These choices are mostly based on a predatory socioeconomic structure, based on the pillars of anthropocentrism and inconsistent with the principles of global sustainability. This structure based on fossil fuels degrades the environment and directly and indirectly impacts the biomes. According to The International Energy Agency (2020), the sector was responsible for more than a third of global energy consumption and 40% of total GHG emissions into the atmosphere (directly and indirectly). This thesis presents the main effects of climate change observed in the built environment and at the urban territorial scale, through a review of the state of the art of the subject in the last decade (2010-2021). The thesis breaks down the projectual process seeking to identify how the architect and urban planner can mitigate the effects of climate change, adapting existing structures or in projects, and also promoting the expansion of the resilience of these building systems.

Progettazione, realizzazione e caratterizzazione sperimentale di sensori capacitivi a fluido dielettrico.

Ad oggi, misurare grandezze fisiche in maniera pratica, distribuita e sostenibile è di grande importanza al fine di poter attivare strategie di digitalizzazione di qualsiasi applicazione: da quelle industriali con robotica collaborativa, fino alla domotica o tecnologia indossabile. La sfida di oggi consiste nel poter creare dei sensori che possano abilitare questi contesti, risultando efficienti, a basso consumo energetico e sostenibili in termini di materiali e componenti utilizzati. L’obiettivo della tesi è infatti quello di valutare una classe innovativa di sensori con principio di funzionamento capacitivo che risultino facili da progettare, fabbricare ed utilizzare. Nello specifico, due tipologie di sensore sono state sviluppate: uno per la misura di forza, l’altro per la misura angolare. Entrambi i dispositivi sono stati realizzati con materiale elastomerico a base di silicone, accoppiato con elettrodi conformi, in un sistema capacitivo deformabile. All’interno di questi sistemi, sono state ricavate delle camere per il contenimento di un fluido dielettrico al fine di poter monitorare lo spostamento del fluido per la misura capacitiva. La tesi riporta le linee guida principali per la progettazione di sensori che utilizzino componenti elastomerici sia conduttori che dielettrici, in combinazione con un fluido per una misura capacitiva. Successivamente, sono riportati tutti gli step di fabbricazione delle due architetture di sensore realizzate, discutendo i vari passaggi ed elencando i materiali utilizzati. Infine, le performance dei due sensori sono valutate sulla base dei risultati di una campagna sperimentale dedicata, eseguita su due setup di banco prova distinti progettati per testare la forza applicata per il primo sensore, e l’angolo di inclinazione per il secondo. Nelle conclusioni viene riportata la valutazione dell’efficienza di questi due sensori, insieme alle evoluzioni future per rendere questa proposta tecnologica affidabile e ad alte prestazioni.

Onecook: una smart cooking station per le nuove esigenze abitative di persone singole.

Il concept alla base di Onecook è stato ispirato dalle esigenze dei giovani adulti che vivono da soli in piccole case. Infatti, molte persone in questa fascia di età hanno appena iniziato a vivere da sole e spesso hanno uno spazio limitato in cucina. Il mio obiettivo era creare un set che includesse tutti gli elementi essenziali, per cucinare in modo più efficiente risparmiando anche energia, con un design compatto e salvaspazio. Per raggiungere questo obiettivo, ho progettato una piastra ad induzione con un’area di riscaldamento flessibile, affinché potesse permettere l’utilizzo simultaneo di pentole e padelle di diverse dimensioni. Grazie a questa flessibilità, la piastra si scalda solamente nell’area utilizzata, aumentando, quindi, l’efficienza energetica e contribuendo a ridurre il consumo energetico complessivo. Inoltre, è stata progettata una cappa di aspirazione filtrante portatile, che può essere facilmente spostata e riposta quando non viene utilizzata. Onecook include anche una varietà di altri strumenti essenziali come un coltello, un tagliere, un mestolo e una spatola. Una delle caratteristiche uniche di questo set è che le padelle e le pentole sono progettate per essere impilabili e modulari, massimizzando lo spazio di archiviazione e facilitando la ricerca della pentola o padella giusta per una ricetta particolare. Oltre alla funzionalità, ho considerato anche l’aspetto estetico del set e scelto colori e materiali moderni e senza tempo. Il prodotto finale è un set funzionale, poco ingombrante e visivamente gradevole. Nel complesso, Onecook è progettato per soddisfare le esigenze dei giovani adulti che cercano un modo compatto ed efficiente per cucinare per loro stessi. Credo che questo set li aiuterà a creare pasti deliziosi e salutari nelle loro piccole case.

Soluzioni per coperture wireless in ambiente indoor con l'ausilio di superfici intelligenti riconfigurabili

I sistemi di comunicazione 6G si prevede che soddisfino requisiti più stringenti rispetto alle reti 5G in termini di capacità di trasmissione, affidabilità, latenza, copertura, consumo energetico e densità di connessione. I miglioramenti che si possono ottenere agendo solo sugli end-points dell'ambiente wireless potrebbero non essere sufficienti per adempiere a tali obiettivi. Performance migliori potrebbero invece essere raggiunte liberandosi del postulato che fissa l'ambiente di propagazione come elemento incontrollabile. In questo panorama spicca una tecnologia recente che prende il nome di Reconfigurable Intelligent Surface (RIS) e che si pone l'obiettivo di rendere personalizzabile l'ambiente di propagazione wireless attraverso elaborazioni quasi passive di segnale. Una RIS è una superficie sottile ingegnerizzata al fine di possedere proprietà che le permettono di controllare dinamicamente le onde elettromagnetiche attraverso, ad esempio, la riflessione, rifrazione e focalizzazione del segnale. Questo può portare alla realizzazione del cosiddetto Smart Radio Environment (SRE), ovvero un ambiente di propagazione che non è visto come entità aleatoria incontrollabile, ma come parametro di design che svolge un ruolo fondamentale nel processo di ottimizzazione della rete. Nel presente elaborato, partendo da un modello macroscopico del comportamento di una RIS sviluppato dal gruppo di ricerca di propagazione e integrato all'interno di un simulatore di ray tracing, si effettua uno studio di coperture wireless con l'ausilio di RIS in semplici scenari indoor di riferimento.

Understanding the indoor environment through mining sensory data - A case study

A wireless sensor network (WSN) is a group of sensors linked by wireless medium to perform distributed sensing tasks. WSNs have attracted a wide interest from academia and industry alike due to their diversity of applications, including home automation, smart environment, and emergency services, in various buildings. The primary goal of a WSN is to collect data sensed by sensors. These data are characteristic of being heavily noisy, exhibiting temporal and spatial correlation. In order to extract useful information from such data, as this paper will demonstrate, people need to utilise various techniques to analyse the data. Data mining is a process in which a wide spectrum of data analysis methods is used. It is applied in the paper to analyse data collected from WSNs monitoring an indoor environment in a building. A case study is given to demonstrate how data mining can be used to optimise the use of the office space in a building.

Context detection and abstraction in smart environments

Context-aware computing is currently considered the most promising approach to overcome information overload and to speed up access to relevant information and services. Context-awareness may be derived from many sources, including user profile and preferences, network information, sensor analysis; usually context-awareness relies on the ability of computing devices to interact with the physical world, i.e. with the natural and artificial objects hosted within the "environment”. Ideally, context-aware applications should not be intrusive and should be able to react according to user’s context, with minimum user effort. Context is an application dependent multidimensional space and the location is an important part of it since the very beginning. Location can be used to guide applications, in providing information or functions that are most appropriate for a specific position. Hence location systems play a crucial role. There are several technologies and systems for computing location to a vary degree of accuracy and tailored for specific space model, i.e. indoors or outdoors, structured spaces or unstructured spaces. The research challenge faced by this thesis is related to pedestrian positioning in heterogeneous environments. Particularly, the focus will be on pedestrian identification, localization, orientation and activity recognition. This research was mainly carried out within the “mobile and ambient systems” workgroup of EPOCH, a 6FP NoE on the application of ICT to Cultural Heritage. Therefore applications in Cultural Heritage sites were the main target of the context-aware services discussed. Cultural Heritage sites are considered significant test-beds in Context-aware computing for many reasons. For example building a smart environment in museums or in protected sites is a challenging task, because localization and tracking are usually based on technologies that are difficult to hide or harmonize within the environment. Therefore it is expected that the experience made with this research may be useful also in domains other than Cultural Heritage. This work presents three different approaches to the pedestrian identification, positioning and tracking: Pedestrian navigation by means of a wearable inertial sensing platform assisted by the vision based tracking system for initial settings an real-time calibration; Pedestrian navigation by means of a wearable inertial sensing platform augmented with GPS measurements; Pedestrian identification and tracking, combining the vision based tracking system with WiFi localization. The proposed localization systems have been mainly used to enhance Cultural Heritage applications in providing information and services depending on the user’s actual context, in particular depending on the user’s location.

Il problema del risparmio energetico nei data center

Con la crescente diffusione del web e dei servizi informatici offerti via internet, è aumentato in questi anni l’utilizzo dei data center e conseguentemente, il consumo di energia elettrica degli stessi. Il problema ambientale che comporta l’alto fabbisogno energetico, porta gli operatori di data center ad utilizzare tecniche a basso consumo e sistemi efficienti. Organizzazioni ambientali hanno rilevato che nel 2011 i consumi derivanti dai data center raggiungeranno i 100 milioni di kWh, con un costo complessivo di 7,4 milioni di dollari nei soli Stati Uniti, con una proiezione simile anche a livello globale. La seguente tesi intende valutare le tecniche in uso per diminuire il consumo energetico nei data center, e quali tecniche vengono maggiormente utilizzate per questo scopo. Innanzitutto si comincerà da una panoramica sui data center, per capire il loro funzionamento e per mostrare quali sono i componenti fondamentali che lo costituiscono; successivamente si mostrerà quali sono le parti che incidono maggiormente nei consumi, e come si devono effettuare le misurazioni per avere dei valori affidabili attraverso la rilevazione del PUE, unità di misura che valuta l’efficienza di un data center. Dal terzo capitolo si elencheranno le varie tecniche esistenti e in uso per risolvere il problema dell’efficienza energetica, mostrando alla fine una breve analisi sui metodi che hanno utilizzato le maggiori imprese del settore per risolvere il problema dei consumi nei loro data center. Lo scopo di questo elaborato è quello di capire quali sono le tecniche e le strategie per poter ridurre i consumi e aumentare l’efficienza energetica dei data center.

Progettazione e implementazione di applicazioni context-aware su dispositivi mobili

Il progetto descritto in questo documento consiste fondamentalmente nell'integrazione di applicazioni context-aware su dispositivi mobili con reti di sensori e nello studio delle problematiche derivanti, vantaggi e potenziali utilizzi. La rete è stata costruita sfruttando l'insieme di protocolli per comunicazioni via radio Zigbee, particolarmente adatti per interazione tra dispositivi a basso consumo energetico e che necessitano di uno scarso tasso di trasferimento di dati. Le informazioni ottenute da sensori di varia natura sono processate da microcontrollori Arduino, scelti per la loro versatilità di utilizzo e design open source. Uno o più dispositivi sono designati per aggregare i dati rilevati dai singoli nodi in un unico pacchetto di informazioni, semanticamente correlate tra loro, quindi emetterle in broadcast su una diversa interfaccia di rete, in modo che diverse applicazioni esterne in ascolto possano riceverle e manipolarle. Viene utilizzato un protocollo specifico per la comunicazione tra i microcontrollori e le applicazioni che si interfacciano con la rete, costruito su misura per dispositivi con risorse limitate. L'applicazione context-aware che interagisce con la rete è stata sviluppata su piattaforma Android, la cui particolare flessibilità favorisce una migliore capacità di gestire i dati ottenuti. Questa applicazione è in grado di comunicare con la rete, manipolare i dati ricevuti ed eventualmente intraprendere azioni specifiche in totale indipendenza dal suo utilizzatore. Obiettivo del progetto è quello di costruire un meccanismo di interazione tra le tecnologie più adattivo e funzionale possibile.