Elettronica per l'Ambiente

Corso n. 3038 Elettronica per l`ambiente - (6 CFU) - (Corso di Laurea Magistrale: Ing. Elettronica) 

Cod. Ateneo: -

 A.A.: - 2023-24

ss. Vincenzo Ferrara – vincenzo.ferrara@uniroma1.it

 Settore: ING-INF/01

 Obiettivi:

Il corso ha l’obiettivo di inquadrare l’architettura, le discipline di base e le tecnologie che consentono la trattazione ingegneristica delle conoscenze necessarie per la progettazione, la gestione e l’esercizio di sistemi di sistemi, dedicati a operazioni che si svolgono su un territorio reale in genere di grande dimensione. Inoltre ha l’obiettivo di esaminare sistemi di rilevamento distribuiti sul territori, localizzabili con sistema satellitare e/o IP, formanti reti WSN (Wireless Sensor Networks), con particolare attenzione ai sistemi a basso consumo e recupero energetico (tecniche harvesting).

 Prerequisiti:

Elettronica, risoluzione di circuiti elettronici RF e banda base

Comunicazioni elettriche, protocolli di comunicazione

 Programma:

(Per un maggior dettaglio del calendario delle lezioni vedi il sito web del corso:

https://vincenzoferrara.site.uniroma1.it/insegnamenti/elettronica-per-lambiente/elettronica_per_l_ambiente_calendario_lez

Il corso affronta il tema dell’architettura dei sistemi elettronici per la misura, il controllo e la gestione di parametri ambientali, quali reti di nodi intelligenti, interconnessi e operanti in modo correlato e cooperante. Come premessa del corso viene descritto il metodo di rappresentazione del territorio e le relative tecniche di proiezione cartografica, atte alla gestione dei dati georeferenziati mediante i sistemi informativi territoriali (GIS). Viene esaminata la struttura di un GIS e realizzate applicazioni (su base algoritmica) di rappresentazione di dati misurati e dell’evoluzione di eventi anche predetti, da includere quali tools del sistema. Viene poi affrontato il monitoraggio ambientale con reti di sensori distribuiti, interfacciati al sistema di gestione territoriale, utilizzanti gli attuali standard di comunicazione e funzionali alle dimensioni dell’area. Reti WSN e smart objects basati su protocollo IP e non. Il corso completa la trattazione delle reti WSN esaminando le problematiche di comunicazione e l’efficienza/autonomia energetica. In particolare per i sistemi a basso consumo viene presentata l’opportunità del recupero dell'energia dall’ambiente circostante il sensore per la sua conversione in energia elettrica e appunto l’autonomia energetica del nodo sensore: tecniche harvesting con i relativi convertitori DC-DC, quali  boost converter, flyback,…

I temi del corso sono completamente sviluppati nelle slides del corso, distribuite durante le lezioni.

 Settimana 1

Presentazione del corso. Calendario della didattica nel semestre: lezioni, laboratorio, modalità d'esame. Sintesi dei temi principali affrontati nel corso.

Introduzione: riferimenti su web e modalità di interazione. Definizione di sistemi di sistemi. Sala operativa e organizzazione dei processi: conseguenze sul progetto di sistema di sistemi. Introduzione ai sistemi di acquisizione: da satellite/aereo/droni, da sensori distribuiti sul territorio. Descrizione sala operativa. Distribuzione del software da utilizzare nelle esercitazioni e esecuzione dell'installazione.

 Settimana 2

Esempio di monitoraggio e gestione di un fronte di incendio boschivo. Concetto di interoperabilità. DII (Defense Information Infrastructures). Sensori distribuiti e problematiche di alimentazione, tecniche di harvesting e scavenging (cantilever, MFC, ...). Cenni sulle tecnologie harvesting e sulle ridotte tensioni e correnti generate: esempio di cella solare con limitazione della tensione a quella di soglia. Pannelli solari con collegamenti serie e parallelo delle celle. Delocalizzazione. Concetto di valore aggiunto. Struttura di base di un nodo sensore e panoramica degli standard di comunicazione wireless (protocolli standard IEEE). Descrizione delle funzionalità e dell’impostazione tecnica del software da utilizzare nelle esercitazioni. 

Introduzione alla utilizzazione del SIT. Uso del GIS: configurazioni, scenari, workspace, tools di base, selezione area di lavoro, settori operativi. Esercitazione con utilizzo del GIS: ottiche, profili, profili gravimetrici, configurazioni, scenari, workspace, tools di base.

Settimana 3

Approfondimenti su rappresentazione del territorio.

Attività di laboratorio: esercizio su percorso territoriale, visibilità ottica e ottimizzazione dei punti di osservazione.

Settimana 4

Ellissoidi di riferimento geodetici e geocentrici, datum. Direzioni e sezioni principali di superfici. Superfici applicabili e sfere osculatrici.  Proiezioni conformi, Gauss, Gauss-Boaga, Mercatore, Lambert. 

Continuazione proiezioni conformi, Gauss, Gauss-Boaga, Mercatore, Lambert. Strutture e formati dei dati. Utilizzo nei GIS. Strutture dei dati orientate all’utilizzo nei SIT. Introduzione alle funzioni base i-o di MatLab e prime specifiche di programmazione. Esercizio proposto: acquisizione dati di misura da file, decodifica e rappresentazione utilizzando maschere di i-o.

Settimana 5

GUI in MatLab – Approfondimento delle funzioni e dei formati dei dati utilizzate nelle maschere di i-o. Funzioni di decodifica sentenze. Realizzazione di programmi matlab, che permettano con una maschera di input-output di a)                Poter selezionare il file dati; b) Visualizzare nel formato UTM le coordinate delle postazioni presenti nel file; c) Scegliere e disegnare nei due formati plot e stem l’andamento orario dei dati validi di Temperatura e parametro B di una delle postazioni. Programmazione MatLab di funzioni i-o: decodifica dati da file ascii, utilizzo di GUI per realizzazione di finestre di dialogo.

Tipologie di dati funzionali ad applicazioni, tools in GIS. Dati di punti sparsi, dati associabili a indirizzamento sequenziale, sequenziale con data base associato, ad indirizzamento quasi diretto e diretto. Condivisione di dati e interoperabilità. Formati standard: matrice, raster, shape files. Preferenze di formattazione sulla base delle applicazioni. Completamento programmazione MatLab di funzioni i-o: decodifica dati da file ascii, utilizzo di GUI per realizzazione di finestre di dialogo.

Settimana 6

Realizzazione dei grafici spread (tempo-valore grandezza). Punti sparsi e triangolazione di Delaunay.  Strutture di dati: gerarchica, reticolare, relazionale, ad oggetti, semantica. Risoluzioni, rappresentazione dati e carte tematiche, dati statici e dinamici. Linguaggi di gestione, query.

Codice NMEA 0813. Accuratezza e precisione delle misure GPS. Dato di precisone/accuratezza: CEP, DRMS, 2DRMS, R95. Attività di laboratorio: acquisizione di dati territoriali (scattered data), in particolare acquisizione dati da porta seriale. Uso di schede Arduino per acquisizione di dati GPS codificati con protocollo NMEA 0183 e di parametri 

Settimana 7

Nodi intelligenti interconnessi. Il sottoinsieme WSN e standard di comunicazione. SIT. Internet come sistema di sistema. Architetture di rete.   Architettura a strati OSI e Internet. Comparazione tra sistema centralizzato, decentralizzato e rete distribuita. Rete fisica e rete logica. Livelli Client/Server, Web Technology. Il tempo come quarta dimensione. Il suo ruolo, anche dal punto di vista del trasferimento dei pacchetti. Il Sit nella architettura a strati (strato Client/Server e strato web-Technologies): alte prestazioni computazionali (Client/Server), efficienza di interfaccia (Web Technology).  

Attività di laboratorio: realizzazione di un simulatore, tools che calcolano dai dati (scattered data) di tasso di radiazione la dose equivalente assorbita lungo un itinerario percorso a velocità costante e stabiliscono la pericolosità dell’evento.

Settimana 8

Architetture orientate ai servizi. (SOA). Interoperabilità a livello di dati, applicazioni e sistemi. Utilizzo di API (Application Programming Interface). Accessibilità, resilience, capacity delle SOA e architetture basate su Data grid e Cluster caching. Cloud Computing, un’architettura basata su SOA. Modelli Cloud Computing: IaaS, PaaS, SaaS. Reti topologiche e georeferenziate: Concetto di nodo (sensore, input, output, comunicazione, transito, smistamento).  Rappresentazione pittorica e funzionalità invarianti di un SIT. Riutilizzazione dei servizi: SOA. Elaborazione di dati per la realizzazione di mappe georeferenziate finalizzati alla creazione di sfondi proprietari. Tools con Shape file e generazione di mappe derivate quali rappresentazione di parametri selezionati/codificati. 

Esercitazione con produzione di codici Matlab.per la gestione di immagini georeferenziate e estrazioni di dati territoriali, per es. di uso del suolo. 

Settimana 9

Esercitazione: realizzazione degli sfondi (creazione file .geo e banca sfondi). Creazione di dati shp con dbf associati in GIS e loro aggiornamento con realizzazione di codici Matlab.

Tecniche di monitoraggio: Telerilevamento da satellite, da aereo, mediante sensori distribuiti sul territorio (WSN). Caratteristiche spettrali e geometriche dei sensori. Esempi di piattaforme aeree e satellitari. Rete di sensori.  Smart objects, IoT WSN: Nodi di comunicazione wireless: compromesso numero nodi, copertura di monitoraggio, efficienza della comunicazione.  Smart objects e  web services: protocolli per il trasferimento della rappresentazione dello stato (REST). Dalle piattaforme Pachube a Google Cloud. Standard di comunicazione basati su IP e non IP: IPSO Alliance e protocolli di comunicazione Zwave e Zigbee. Approfondimento sulla architettura del protocollo di comunicazione Zigbee: bande e  numero di canali utilizzati, modulazioni, rilevazione di energia, LQI (Link Quallity Indication) , controllo di accesso al canale di trasmissione CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Access - Collision Avoidance), Guaranteed Time Slots, Figure di merito della comunicazione. Architettura: PAN coordinator, router e end devices. Topologie di reti: a stella e mesh. Comunicazioni brodcast e unicast. CSMA-CA con beacon e no-beacon. Reset: soft, half reset e full reset. Confronti con tranceivers WiFi più recenti e prestazionali.

Settimana 10

Descrizione di hardware e software con schede Arduino/Genuino. Programmazione di sketch di base. Librerie Arduino. Tranceiver Xbee e software di gestione. Esempio di progettazione di nodo sensore con nodo di comunicazione. WSN - Introduzione a progettazione con Arduino/Genuino. Xbee-Digi: Progettazione di un Nodo sensore che rileva parametri ambientali e nodo ricevitore  in comunicazione mediante transceiver Xbee. 

Progettazione di sistemi gestione emergenze: problematiche di collegamenti wireless - modelli previsionali di propagazione elettromagnetica statistiche e deterministiche (Raccomandazioni ITU, modellizzazione territoriali per diffrazione a lama di coltello- Fresnel).  Progettazione del sistema radiante in trasmissione utilizzando i tools del GIS: qualificazione ITU del sito postazione, progetto antenne mediante pannelli commerciali che tengono conto dell'orografia e degli obbiettivi da raggiungere. Progettazione di sistemi gestione emergenze: problematiche di collegamenti wireless - progettazione delle antenne utilizzando il GIS.

Settimana 11

Energy harvesting e scavenging: autonomia energetica dei sistemi di rilevamento: sistemi a basso consumo e recupero dell'energia. Tecnologie per harvesting (scavenging) e considerazioni sulle eventuali ridotte tensioni e correnti generate. Opportunità di utilizzazione di convertitori DC-DC step-up, step-down, flyback, ecc. Aumento del grado di libertà sul posizionamento del sensore. Ecosostenibilità. 

 Tecniche di progettazione delle Charg pump. Tecniche di progettazione:  Boost converter, step-up converter, flyback converte.

Settimana 12

Continuazione tecniche di progettazione:  Boost converter, step-up converter, flyback converter 

Esercitazione: progettazione DC-DC converter 3.3 Vdc -12 VdCc con LT3461A della Linear Technology.

ATTIVITÀ DI LABORATORIO

•             Progettazione di tools interattivi in ambiente GIS e mediante MatLab.

•             Tecniche di progettazione di WSN/Smart Objects per la gestione e visualizzazione integrata in una sala di controllo (schede Arduino/Genuino,…).

•             Esperienza progettuale di rete di sensori con tranceivers (Arduino+Xbee).

•             Sperimentazione su una tecnica harvesting (MFC microbiological fuel cell, vibrazionale,…).

Bibliografia: 

Materiale integrativo (lucidi/diapositive del corso, articoli) disponibili sul sito web

https://elearning.uniroma1.it/course/view.php?id=15245

Testi consigliati: 

       GIS

•           Emanuela Caiaffa, “ECDL GIS - La rappresentazione cartografica e i fondamenti del GIS”, McGraw-Hill Education (Italy) 

        Web services – client-server – SOA- restful - IoT

•           Jeam-Philippe Vasseur, Adam Dunkels, “Interconnecting smart objects with IP”, ed. MK

•           Reti client –server : Pier Calderan, “Reti domestiche. La guida tascabile per creare reti su misura aggiornata a Windows 10”, ed. Apogeo

•           SOA: Fantuzzi Nestore Paolo, “ Introduzione alle SOA (Service Oriented Architecture)”, ed. Hoepli

       Proiezioni cartografiche

•           NASA, G.Projector — Global Map Projector, http://www.giss.nasa.gov/tools/gprojector

•           John P. Snyder, “Maps Projections – A working manual”, ed. U.S. Geological survey professional paper 1395

      WSN 

•           Matthijs Kooijman, “ Building Wireless Sensor Networks Using Arduino”, Packt – Open source community -2015 

•           Robert Faludi, “Building Wireless Sensor Networks: with ZigBee, XBee, Arduino, and Processing”, O'Reilly Media, Inc

       Progettazione collegamenti

•           ITU (International Communication Union): Final Acts of the Regional Radiocommunication Conference

       Progettazione di antenne

•           John D. Kraus, “Antennas”, ed. McGraw-Hill

        Harvesting

•           Shashank Priya, Daniel J. Inman, “Energy Harvesting Technologies”, ed. Springer Science & Business Media