Sviluppo di un firmware per un sistema di sensing impedenziometrico a bassa potenza

Il progetto vuole realizzare un sistema ultra low power, in grado di monitorare variabili fisiche quali temperatura e conducibilità dell'acqua nelle profondità marine in autonomia, per una durata complessiva di due anni. Il salvataggio dei dati raccolti nel periodo di utilizzo avrà come fine ultimo lo studio dei cambiamenti climatici relativi all'ambiente marino. Volendo collocare il sistema di monitoraggio sul dorso di pesci o in profondità oceaniche non facilmente accessibili è necessario garantire dimensioni ridotte e un funzionamento autonomo duraturo al termine del quale sarà possibile scaricare i dati raccolti. Nel tentativo di rispettare la specifica relativa al ciclo di lavoro autonomo del sistema è stato importante adottare una politica rigorosa riguardante i consumi estremamente ridotti, senza però venir meno alle ulteriori specifiche di progetto, riportate in dettaglio nei paragrafi successivi. Dalla progettazione circuitale alla realizzazione del firmware, passando per una minuziosa scelta della componentistica a minor consumo, ho avuto la possibilità di dar vita all'intero progetto in autonomia, confrontandomi con tutti gli aspetti e le problematiche che la realizzazione di un simile progetto porta con se.

Realizzazione di un sistema di misura miniaturizzato per monitoraggio ambientale

L'elaborato affronta in primo luogo la progettazione e il design CAD del sistema di misura impedenziometrico ad alta risoluzione. La seconda parte tratta un'upgrade del software per implementare una funzione di risparmio energetico.

Analisi e ottimizzazione termodinamica del sistema di generazione di potenza di un impianto solare a concentrazione ibrido

Impianto solare termodinamico a concentrazione per la produzione di energia elettrica.

Simulazione numerica di un sistema geotermico a bassa entalpia open-loop in presenza di un gradiente geotermico anomalo

Il lavoro svolto nella presente tesi di laurea magistrale consiste nella modellazione e simulazione numerica, tramite il software commericale COMSOL MULTIPHYSICS, di un reservoir geotermico a bassa entalpia sfruttato mediante un impianto di teleriscaldamento a pompa di calore accoppiato ad un sistema open-loop.

Impatto della propagazione elettromagnetica sulle prestazioni delle reti M3N

Con il termine Smart Grid si intende una rete urbana capillare che trasporta energia, informazione e controllo, composta da dispositivi e sistemi altamente distribuiti e cooperanti. Essa deve essere in grado di orchestrare in modo intelligente le azioni di tutti gli utenti e dispositivi connessi al fine di distribuire energia in modo sicuro, efficiente e sostenibile. Questo connubio fra ICT ed Energia viene comunemente identificato anche con il termine Smart Metering, o Internet of Energy. La crescente domanda di energia e l’assoluta necessità di ridurre gli impatti ambientali (pacchetto clima energia 20-20-20 [9]), ha creato una convergenza di interessi scientifici, industriali e politici sul tema di come le tecnologie ICT possano abilitare un processo di trasformazione strutturale di ogni fase del ciclo energetico: dalla generazione fino all’accumulo, al trasporto, alla distribuzione, alla vendita e, non ultimo, il consumo intelligente di energia. Tutti i dispositivi connessi, diventeranno parte attiva di un ciclo di controllo esteso alle grandi centrali di generazione così come ai comportamenti dei singoli utenti, agli elettrodomestici di casa, alle auto elettriche e ai sistemi di micro-generazione diffusa. La Smart Grid dovrà quindi appoggiarsi su una rete capillare di comunicazione che fornisca non solo la connettività fra i dispositivi, ma anche l’abilitazione di nuovi servizi energetici a valore aggiunto. In questo scenario, la strategia di comunicazione sviluppata per lo Smart Metering dell’energia elettrica, può essere estesa anche a tutte le applicazioni di telerilevamento e gestione, come nuovi contatori dell’acqua e del gas intelligenti, gestione dei rifiuti, monitoraggio dell’inquinamento dell’aria, monitoraggio del rumore acustico stradale, controllo continuo del sistema di illuminazione pubblico, sistemi di gestione dei parcheggi cittadini, monitoraggio del servizio di noleggio delle biciclette, ecc. Tutto ciò si prevede possa contribuire alla progettazione di un unico sistema connesso, dove differenti dispositivi eterogenei saranno collegati per mettere a disposizione un’adeguata struttura a basso costo e bassa potenza, chiamata Metropolitan Mesh Machine Network (M3N) o ancora meglio Smart City. Le Smart Cities dovranno a loro volta diventare reti attive, in grado di reagire agli eventi esterni e perseguire obiettivi di efficienza in modo autonomo e in tempo reale. Anche per esse è richiesta l’introduzione di smart meter, connessi ad una rete di comunicazione broadband e in grado di gestire un flusso di monitoraggio e controllo bi-direzionale esteso a tutti gli apparati connessi alla rete elettrica (ma anche del gas, acqua, ecc). La M3N, è un’estensione delle wireless mesh network (WMN). Esse rappresentano una tecnologia fortemente attesa che giocherà un ruolo molto importante nelle futura generazione di reti wireless. Una WMN è una rete di telecomunicazione basata su nodi radio in cui ci sono minimo due percorsi che mettono in comunicazione due nodi. E’ un tipo di rete robusta e che offre ridondanza. Quando un nodo non è più attivo, tutti i rimanenti possono ancora comunicare tra di loro, direttamente o passando da uno o più nodi intermedi. Le WMN rappresentano una tipologia di rete fondamentale nel continuo sviluppo delle reti radio che denota la divergenza dalle tradizionali reti wireless basate su un sistema centralizzato come le reti cellulari e le WLAN (Wireless Local Area Network). Analogamente a quanto successo per le reti di telecomunicazione fisse, in cui si è passati, dalla fine degli anni ’60 ai primi anni ’70, ad introdurre schemi di rete distribuite che si sono evolute e man mano preso campo come Internet, le M3N promettono di essere il futuro delle reti wireless “smart”. Il primo vantaggio che una WMN presenta è inerente alla tolleranza alla caduta di nodi della rete stessa. Diversamente da quanto accade per una rete cellulare, in cui la caduta di una Base Station significa la perdita di servizio per una vasta area geografica, le WMN sono provviste di un’alta tolleranza alle cadute, anche quando i nodi a cadere sono più di uno. L'obbiettivo di questa tesi è quello di valutare le prestazioni, in termini di connettività e throughput, di una M3N al variare di alcuni parametri, quali l’architettura di rete, le tecnologie utilizzabili (quindi al variare della potenza, frequenza, Building Penetration Loss…ecc) e per diverse condizioni di connettività (cioè per diversi casi di propagazione e densità abitativa). Attraverso l’uso di Matlab, è stato quindi progettato e sviluppato un simulatore, che riproduce le caratteristiche di una generica M3N e funge da strumento di valutazione delle performance della stessa. Il lavoro è stato svolto presso i laboratori del DEIS di Villa Grifone in collaborazione con la FUB (Fondazione Ugo Bordoni).

Analisi del sistema idraulico e di monitoraggio dei Consorzi dei canali di Reno e Savena e caratterizzazione degli eventi storici di siccita meteorologica ed idrologica del Fiume Reno a Casalecchio

La tesi è suddivisa in tre parti. Nella prima parte si descrive il sistema dei canali bolognesi che derivano acqua dal bacino montano del Fiume Reno e dal Torrente Savena, e il sistema di gestione e di monitoraggio utilizzato dal Consorzio dei canali di Reno e Savena. Nella seconda parte si illustra una proposta di sistema di visualizzazione dei dati idro-pluviometrici che si sta valutando, assieme al Presidente del Consorzio e ad Arpa, per il monitor che il Consorzio intende installare al fine di illustrare al pubblico il monitoraggio e l’evoluzione degli eventi di piena e di scarsità idrica/siccità. Nella terza parte, infine, si effettuano la stima e un’analisi della correlazione tra due diversi indici di siccità, meteorologica ed idrologica, per il bacino del Reno chiuso a Casalecchio. Il sistema dell’intero bacino del Reno e della rete dei canali cittadini risulta molto complesso. Vista tale complessità del sistema, si è proposto di distinguere uno scenario di piena e uno scenario di magra. Tra le diverse informazioni da visualizzare nel monitor si intendono anche visualizzare informazioni relative alla disponibilità idrica alla scala del bacino in esame. Per questo è stata svolta l’analisi sugli indici di siccità Standard Precipitation Index (SPI) e Streamflow Drought Index per il bacino del Reno chiuso a Casalecchio . Tali indici hanno portato a dei risultati consistenti con le condizioni idro-metereologiche e con le informazioni sugli impatti al suolo disponibili per alcuni degli eventi più significativi presi in esame. In base ai risultati ottenuti è possibile affermare che gli indici SPI e SDI a scala di bacino hanno una buona correlazione che permette di poter considerare anche la sola caratterizzazione pluviometrica per identificare la situazione della disponibilità idrica del fiume a monte dell’opera di presa del Canale di Reno.

Dal medico di medicina generale al sistema integrato delle cure primarie: analisi e progettazione dell'architettura organizzativa di un modello in evoluzione.

L'oggetto della tesi è la costruzione di un modello organizzativo e funzionale per le nuove strutture previste a livello nazionale per l'assistenza primaria e denominate Unità Complesse di Cure Primarie (UCCP). Il modello è composto da un profilo organizzativo, un'architettura funzionale e un sistema di indicatori per il monitoraggio di un insieme di prestazioni rilevanti.

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.

Sensore e interfacce per la misura di conducibilita con impedenza elettrica

Gli oceani coprono quasi il 75% della superficie della terra ed esercitano una grande influenza sulla vita di tutte le specie viventi e sull’evoluzione del clima a livello planetario. I repentini cambiamenti climatici hanno reso sempre piú importante studiarne i comportamenti. L’analisi della salinitá degli oceani é estremamente importante per gli studi sull’ambiente marino; puó essere usata per tracciare le masse d’acqua, descrivendone i flussi e svelandone la correlazione con i processi climatici, puó essere di aiuto ai biologi per studiare gli organismi marini e costituisce un parametro fondamentale per una vasta gamma di sensori. Un sistema autonomo che misuri conducibilitá e temperatura é il primo strumento per determinare la salinitá dell’acqua, sul mercato sono presenti sí numerosi sensori a elevata accuratezza ma necessitano di ingombranti strumenti di laboratorio per funzionare. Sistemi di ridotte dimensioni non sono invece altrettanto accurati ed affidabili. Questa tesi mira a sviluppare un'interfaccia che permetta di analizzare conducibilitá e temperatura con un elevato livello di accuratezza. Particolare attenzione sará posta all’elaborazione delle misure effettuate e alla caratterizzazione degli errori e dell’accuratezza del sistema. Partendo da queste basi in futuro si potrá creare un sistema autonomo a bassissima potenza, alimentato da batterie, che, basandosi sull’iterazione fra il chip impedenziometrico e il PIC, permetta di fare misure per un ciclo di vita di qualche anno.

Hydrogeochemical monitoring and modelling of saltwater intrusion in lowlands (Ferrara, IT)

Because of the potentially irreversible impact of groundwater quality deterioration in the Ferrara coastal aquifer, answers concerning the assessment of the extent of the salinization problem, the understanding of the mechanisms governing salinization processes, and the sustainability of the current water resources management are urgent. In this light, the present thesis aims to achieve the following objectives: Characterization of the lowland coastal aquifer of Ferrara: hydrology, hydrochemistry and evolution of the system The importance of data acquisition techniques in saltwater intrusion monitoring Predicting salinization trends in the lowland coastal aquifer Ammonium occurrence in a salinized lowland coastal aquifer Trace elements mobility in a saline coastal aquifer

Studio multi-banda dal sub-parsec al kilo-parsec dell'emissione del getto nella radio galassia IC 1531

In questo lavoro di tesi si presenta il primo studio multi-scala e multi-frequenza focalizzato sul getto della radiogalassia IC1531 (z=0.026) con i satelliti Chandra, XMM-Newton e Fermi con l’obiettivo di tracciarne l’emissione alle alte energie; definire i processi radiativi responsabili dell’emissione osservata e stimare i principali parametri fisici del getto; stimare l’energetica del getto alle diverse scale. La sorgente è stata selezionata per la presenza di un getto esteso (≈5’’) osservato in radio e ai raggi X, inoltre, era riportata come possibile controparte della sorgente gamma 3FGLJ0009.6-3211 presente nel terzo catalogo Fermi (3FGL). La presenza di emissione ai raggi γ, confermata dal nostro studio, è importante per la modellizzazione della SED della regione nucleare. L’emissione X del nucleo è dominata da una componente ben riprodotta da una legge di potenza con indice spettrale Γ=2.2. L’analisi dell’emissione in banda gamma ha evidenziato una variabilità su scale di 5 giorni, dalla quale è stato possibile stimare le dimensioni delle regione emittente. Inoltre viene presentato lo studio della distribuzione spettrale dell’energia della regione nucleare di IC 1531 dalla banda radio ai raggi γ. I modelli ci permettono di determinare la natura dell’emissione gamma e stimare la potenza cinetica del getto a scale del su-pc. Gli osservabili sono stati utilizzati per ottenere le stime sui parametri del modello. La modellizzazione così ottenuta ha permesso di stimare i parametri fisici del getto e la potenza trasportata del getto a scale del sub-pc. Le stime a 151MHz suggerisco che il getto abbia basse velocita' (Γ≤7) e angolo di inclinazione rispetto alla linea di vista 10°<ϑ<20°; nel complesso, il trasporto di energia da parte del getto risulta efficiente. L’origine dell’emissione X del getto a grandi scale è consistente con un’emissione di sincrotrone, che conferma la classificazione di IC1531 come sorgente di bassa potenza MAGN.

Sviluppo e test di una rete di sensori indossabili per il monitoraggio e la riabilitazione di pazienti affetti da morbo di parkinson

Il recente sviluppo commerciale di smartphone, tablet e simili dispositivi, ha portato alla ricerca di soluzioni hardware e software dotate di un alto livello di integrazione, in grado di supportare una potenza di calcolo e una versatilità di utilizzo sempre più crescenti, pur mantenendo bassi i consumi e le dimensioni dei dispositivi. Questo sviluppo ha consentito parallelamente a simili tecnologie di trovare applicazione in tanti altri settori, tra i quali quello biomedicale. Il lavoro esposto in questa tesi si inserisce nel contesto appena descritto e, in particolare, consiste nello sviluppo di un sistema WBAN ideato per garantire maggiore flessibilità, controllo e personalizzazione nella terapia riabilitativa dei pazienti affetti da Morbo di Parkinson. In questo campo è stata dimostrata l'efficacia, in termini di miglioramento delle condizioni di vita dell'individuo, dell'esercizio fisico e in particolare di una serie di fisioterapie riabilitative specifiche. Tuttavia manca ancora uno strumento in grado di garantire più indipendenza, continuità e controllo,per le persone affette da MP, durante l'esecuzione di questi esercizi; senza che sia strettamente necessario l'intervento di personale specializzato per ogni seduta fisioterapeutica. Inoltre manca un sistema che possa essere comodamente trasportato dal paziente nelle attività di tutti i giorni e che consenta di registrare e trasmettere eventi particolari legati alla patologia, come blocchi motori e cadute accidentali. Il presente lavoro di tesi tratta della realizzazione di un Firmware per la gestione di un Nodo Centrale che funge da master in una rete WBAN a tre nodi. L'obbiettivo è quello di integrare in tale firmware le funzioni di acquisizione dati dai sensori on-board, comunicazione tra i nodi della rete e gestione delle periferiche hardware secondarie; in particolare per lo sviluppo è stato usato un Sistema Operativo Real-Time (RTOS) del quale sono esposti vantaggi e svantaggi dell’utilizzo.

Progetto di un sistema per la trasmissione wireless di potenza in campo vicino a dispositivi impiantabili

I dispositivi impiantabili stanno acquisendo grande importanza nell’ambito delle applicazioni biomedicali, ciò è dovuto principalmente alla loro attitudine nell’adempiere funzioni di stimolazione, monitoraggio su organi interni e di comunicazione di segnali vitali al mondo esterno. La comunità scientifica, in particolare, concentra la sua attenzione sulle tecniche di alimentazione di tali dispositivi. Le batterie al litio hanno rappresentato, fino a qualche tempo fa, la sorgente di alimentazione primaria. Il bisogno crescente di minimizzare le dimensioni di questi dispositivi e migliorare la qualità di vita del paziente (evitare successive operazioni chirurgiche, rischi e infezioni a causa dei cavi percutanei), ha spinto nella ricerca di nuove soluzioni. Una di queste è rappresentata dalla Wireless Power Transfer (WPT). In questo lavoro di tesi, è stato proposto un sistema di alimentazione wireless transcutaneo. Il sistema sfrutta il principio dell’accoppiamento induttivo risonante, che consiste nella trasmissione di energia in campo vicino tra due risuonatori magneticamente accoppiati. Al fine di acquisire la massima efficienza, sono state effettuate operazioni di ottimizzazione geometrica sul trasmettitore e di adattamento sul modello circuitale. I software CST e LTspice hanno reso possibile le simulazioni sul sistema dal punto di vista elettromagnetico e circuitale. Gli sviluppi futuri prevedono di convalidare i risultati ottenuti realizzando prove “in vitro”.

Dimensionamento di un sistema wireless epidermico energeticamente autonomo per il monitoraggio di parametri fisiologici

Il presente lavoro di Tesi è stato incentrato sul dimensionamento di un sistema wireless epidermico abile a monitorare parametri fisiologici. La fase iniziale del lavoro è stata spesa per indagare le varie tipologie di sorgenti utili ad effettuare Energy Harvesting in contesti applicativi biomedicali, ed analizzare lo stato dell’arte in merito ai sistemi miniaturizzati, passivi, interfacciabili alla superficie corporea, configurabili nel settore di ricerca e-skin. Il corpo centrale del lavoro è stato quello di dimensionare un nuovo sistema wireless epidermico, energeticamente autonomo. Tale sistema è stato strutturato in tre catene costitutive. La prima di queste definita di Energy Harvesting e storage, presenta una cella solare, un boost converter –charger per il management della potenza ed una thin film battery come elemento di storage. La seconda catena è configurabile come quella di ricezione, in cui l’elemento cruciale è una Wake-Up Radio (WUR), la cui funzione è quella di abilitare il sistema di misura costituito da Microcontroller e sensore solo quando un Reader comunicherà la corretta sequenza di bit abilitanti alla lettura. La presente scelta ha mostrato vantaggi in termini di ridotti consumi. La terza ed ultima catena del sistema per mezzo di Microcontrollore e Transceiver consentirà di trasmettere via RF il dato letto al Reader. Una interfaccia grafica utente implementata in Matlab è stata ideata per la gestione dei dati. La sezione ultima della Tesi è stata impostata analizzando i possibili sviluppi futuri da seguire, in particolare integrare il sistema completo utilizzando un substrato flessibile così come il Kapton e dotare il sistema di sensoristica per misure biomediche specialistiche per esempio la misura del SpO2.

Analisi dei profili di tensione e dei flussi di potenza in diversi tipi di reti di distribuzione in media e bassa tensione mediante il software OpenDSS

La teoria secondo la quale vi sia una forte interconnessione tra cambiamento climatico ed emissioni di gas serra è via via più radicata all’interno della comunità scientifica internazionale. La certezza che la richiesta di energia a livello mondiale non possa che aumentare, unita con le preoccupazioni causate dal cambiamento climatico ha indirizzato parte dei cosiddetti paesi “sviluppati” verso politiche volte all’efficienza energetica e alla produzione di energia attraverso fonti rinnovabili. In seguito a queste decisioni il sistema elettrico nazionale si trova in una fase di rapido cambiamento; in particolare le maggiori problematiche, legate alla rete di distribuzione, sono originate da un fenomeno di diffusione su larga scala della generazione distribuita. In questo contesto, nel presente lavoro di tesi, ci si serve del software openDSS per osservare gli ammodernamenti che la rete ha subito e subirà in futuro. In primo luogo viene trattata una rete, prettamente passiva, in bassa tensione che vuole essere lo specchio di ciò che era la rete prima della diffusione della generazione distribuita. Vengono evidenziati in particolare i profili delle tensioni lungo la rete di distribuzione e le potenze circolanti in rete. Viene successivamente studiata la prima rete con l’aggiunta di generatori, volti a simulare il comportamento di pannelli fotovoltaici, evidenziando alcune le problematiche causate dalla GD su una rete non adatta a sopportarla. Infine viene mostrato come la presenza di alcuni accumulatori (modellizzati per simulare il comportamento di veicoli elettrici) possa migliorare le condizioni della rete. L’obiettivo non è quello di condurre delle simulazioni di reti realmente esistenti e di studiare diversi modelli di sviluppo per esse, bensì quello di creare una rete di prova all’interno del software al fine di analizzare qualitativamente come la rete sia mutata e come possibili scenari potrebbero modificarla in futuro.