ELEDIA

Seminar by Dr. Yu ZHONG
The ELEDIA Research Center is pleased to announce the seminar entitled "Inversion-Friendly Modelling for Inverse Electromagnetic Scattering Problems" which will…
ELEDIA@AUTH has joined the ELEDIA Research Center Network
The ELEDIA Research Center is very pleased to welcome the ELEDIA@AUTH as part of the ELEDIA Network Labs. ELEDIA@AUTH research…
Prof. Oliveri named Associate Editor of IEEE JMMCT
The ELEDIA Research Center is pleased to announce that Prof. Giacomo Oliveri has been named Associate Editor of the IEEE Journal…
R. J. Mailloux has joined ELEDIA
The ELEDIA Research Center is pleased to announce that Dr. R. J. Mailloux is member of the ELEDIA Teaching Staff.…

 

 

Active Localization è un progetto sviluppato dal Centro di Ricerca ELEDIA basato sullo studio e la realizzazione di un sistema in grado di effettuare localizzazione di persone in ambienti indoor.

E' un sistema in grado di predire la posizione di persone e ricostruirne la traiettoria in real-time, aiutando l'utente nell'orientamento in ambienti di grandi dimensioni come per esempio fiereaeroporti, stazioni, musei e campus universitari. 

Esso si basa sulla localizzazione attiva di uno SmartPhone, sfruttando la tecnologia wireless Wi-Fi. 
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Lo SmartPhone, misurando il livello di segnale ricevuto dai vari Access Points presenti nella rete Wi-Fi, riesce a misurare le grandezze necessarie per permettere al sistema di stimare la sua posizione. Tale sistema, per effettuare questa stima in maniera corretta, deve conoscere solamente le posizioni dei vari Access Points installati nell'edificio.


L'utilizzo di questa tecnologia si è rivelata adatta in tale contesto applicativo, in quanto:

  • la tecnologia Wi-Fi è presente in tutti gli SmartPhone di ultima generazione;
  • viene sfruttata un'infrastruttura già presente, e utilizzata anche per altri scopi (fornire connessione internet), e non dedicata solamente per il sistema di localizzazione;
  • la tecnologia Wi-Fi è la più utilizzata per fornire connessione internet in ambienti indoor;
  • la tecnologia Wi-Fi ha costi realizzativi limitati;

Per utilizzare il sistema Active Localization, l'utente deve solamente installare una semplice e leggera applicazione sullo SmartPhone e connetterlo alla rete Wi-Fi presente nell'edificio.

L'utilizzo di questo sistema permette quindi:

  1. La visualizzazione da parte dell'utente della propria posizione sullo SmartPhone, aiutandolo nei suoi movimenti all'interno dell'edificio.
  2. La visualizzazione, da parte del gestore del sistema, della posizione delle persone presenti nell'edificio, così da poter distinguere le aree più affollate, il movimento delle folle, ecc.

 

Grazie alle caratteristiche predentemente elencate, l'utilizzo del sistema Active Localization porta ad un vantaggio non solamente per l'utente che viene assistito nei propri movimenti all'interno dell'edificio in questione, ma anche per il gestore del sistema, il quale beneficia di una panoramica generale dello stato delle folle all'interno dell'edificio monitorato.

Nella sezione sottostante è illustrato un deployment dimostrativo del sistema, attivo presso il secondo piano del Polo tecnologico F. Ferrari, nel Dipartimento di Ingegneria e Scienze dell'Informazione dell'Università degli Studi di Trento (Povo - TN).



 


Power Metering WSN è un progetto sviluppato dal gruppo di ricerca Eledia (Dipartimento di Ingegneria e Scienza dell'Informazione - Università di Trento).

L'obiettivo del progetto Power Metering WSN (Wireless Sensor Network) è lo studio e sviluppo di una rete WSN spazialmente distribuita in grado effettuare misure real-time dei valori di potenza consumata da un dispositivo.

La rete WSN, lo schema della quale è rappresentato graficamente nella figura sottostante, è costituita da nodi sensori in grado di misurare la potenza istantanea ed accumulativa consumata dal dispositivo che viene connesso ad essi.
 
Ogni nodo sensore effettua un campionamento del valore di potenza istantanea (W) e accumulativa (W/h) ad un intervallo di tempo impostabile dall'utente in fase di messa in opera del sistema (attualmente pari a 60 sec) ed invia i dati misurati ad un nodo Gateway. I dati vengono successivamente inviati ad un database (locale e/o remoto) per l'archiviazione (storico), il quale permette la loro visualizzazione da parte dell'utente finale tramite interfaccia Web.
 

La rete WSN, lo schema della quale è rappresentato graficamente nella figura sottostante, è costituita da nodi sensori in grado di misurare la potenza istantanea ed accumulativa consumata dal dispositivo che viene connesso ad essi.
Ogni nodo sensore effettua un campionamento del valore di potenza istantanea (W) e accumulativa (W/h) ad un intervallo di tempo impostabile dall'utente in fase di messa in opera del sistema (attualmente pari a 60 sec) ed invia i dati misurati ad un nodo Gateway. I dati vengono successivamente inviati ad un database (locale e/o remoto) per l'archiviazione (storico), il quale permette la loro visualizzazione da parte dell'utente finale tramite interfaccia Web

Nella sezione sottostante è illustrato un deployment dimostrativo del sistema, attivo presso un sito nelle vicinanze del Dipartimento di Ingegneria e Scienza dell'Informazione dell'Università degli Studi di Trento (Povo - TN).

I dati vengono presentati in tre pagine distinte:

  • Home Page: per ogni nodo vengono visualizzati gli ultimi valori misurati. E' presente una mappa del deployment dimostrativo sul quale sono visualizzate le potenze istantanee misurate dai vari nodi sensori. E' presente inoltre un elenco dei nodi sensori utilizzati, dove è visualizzato il consumo dell'intero sistema, e per ogni nodo appartenente alla rete di sensori, le ultime misure di potenza istantanea e potenza accumulativa effettuate. Mediante un apposito pulsante refresh è possibile aggiornare lo stato della pagina.
  • Daily Values: valori istantanei ed accumulativi della potenza misurata da ogni singolo nodo nella giornata in corso a partire dalla mezzanotte fino all'ora attuale. Mediante un apposito menu è possibile visualizzare i dati storici relativi ai giorni precedenti.
  • Monthly Values: valori di potenza istantanea mediati sulle 24 ore misurati da ogni nodo nel mese corrente. Mediante un apposito menu è possibile visualizzare i dati storici relativi ai giorni precedenti.
 

 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Logo MART WSN Eledialab

 

Il sistema di monitoraggio delle opere d’arte in ambito museale sviluppato dal gruppo ELEDIALAB per il Museo di arte moderna e contemporanea di Trento e Rovereto (ed attualemente impiegato come sistema di sicurezza per la mostra Impressionisti e post-impressionisti. Capolavori dall’Israel Museum di Gerusalemme) è basato su una architettura di tipo Wireless Sensors Network (WSN) e sull’utilizzo di giroscopi mems.

 

I sistemi di sorveglianza in ambiente museale sono fondamentali per garantire la sicurezza delle opere esposte e devono essere in grado di soddisfare i requisisti identificati dai curatori responsabili di tale opere. Spesso è richiesto il monitoraggio di ogni singola opera, sia per evitare il distacco della stessa sia per evitare che venga toccata (antistacco e antitocco), il tutto deve essere naturalmente invisibile al visitatore per non compromettere la qualità dell’esposizione. I sistemi fino ad ora utilizzati sono costituiti da sensori cablati nelle sale d’esposizione, essi hanno un costo molto elevato e richiedono la re-infrastrutturazione delle sale ad ogni nuova esposizione.
I recenti progressi nel campo delle tecnologie dell’informazione e della comunicazione (ICT) hanno consentito lo sviluppo di nodi sensoriali autonomi, connessi tra loro in modalità wireless, a basso costo e di ridotte dimensioni utilizzabili per il monitoraggio distribuito di aree locali o geografiche. 
L’interconnessione di questi dispositivi per mezzo di tecnologie radio, unitamente allo sviluppo di un’architettura protocollare che consenta la cooperazione tra le diverse entità, hanno permesso un incremento esponenziale delle capacità dei singoli elementi ed ha aperto la strada ad una ampia gamma di applicazioni. Per questo, oltre al contesto militare, le Wireless Sensors Network (WSN) sono state fino ad ora utilizzate anche in ambito domotico, industriale, per il controllo del traffico e per il monitoraggio ambientale.
Una rete radio di sensori, o WSN è infatti un sistema integrato e complesso che nasce dalla “cooperazione” tra diversi componenti elementari, detti nodi sensore (Figura 1) ciascuno dei quali è un vero e proprio sistema embedded, ovvero un dispositivo elettronico in grado di svolgere in modo autonomo un certo insieme di operazioni più o meno complesse, di interagire con l’ambiente circostante e cooperare con altri nodi mediante opportune interfacce di comunicazione.

Tmote Sky
Nodo Wsn Eledialab

Figura 1:esempi di nodi WSN.

Nel dettaglio, il sistema realizzato è costituito da 52 nodi WSN posizionati ciascuno su un’ opera da monitorare (vedi Figura 2b): le ridotte dimensioni dell’involucro plastico permettono il posizionamento del dispositivi sul retro dell’intelaiatura delle tele rendendolo così solidale con l’opera stessa ed invisibile al visitatore. Ognuno di questi nodi è dotato di un sensore accelerometrico a tre assi per rilevare spostamenti e vibrazioni dell’opera d’arte rispetto alla posizione iniziale. Le informazioni raccolte dai nodi sensore (eventuali spostamenti sui 3 assi, la tensione delle batterie di ciascun nodo, il livello di segnale ricevuto da ciascun nodo) vengono inviate ad un nodo gateway (vedi Figura 2a) preposto alla loro raccolta il quale effettua una pre-elaborazione dei dati e gestisce l’invio al database degli eventi e l'interfacciamento con il videoserver di sorveglianza. Questo nodo è inoltre collegato ad un server per la gestione dell’intera rete di sensori; in particolare il livello di carica delle batterie di ciascun nodo ed informazioni sull’allarme in corso (ID nodo che ha rilevato l’allarme, entità e direzione dello spostamento). Trattandosi di un sistema di sicurezza, sono stati previsti 3 nodi gateway (del tutto equivalenti) per garantire una sufficiente ridondanza nel sistema di raccolta degli allarmi.
Nella fase di sviluppo particolare attenzione è stata posta nella scelta dei componenti hardware e nella programmazione del software on-board dei dispositivi al fine di minimizzare il consumo energetico e massimizzare il tempo di vita del sistema (attualmente circa 4-6 mesi) garantendo al contempo una ridotta manutenzione da parte dell’utente finale (operazione che in questo scenario risulta spesso problematica in quanto deve essere svolta in orario di chiusura della mostra e con l’aiuto dei restauratori).

Rete sorveglianza MART ELEDIALAB

(a)

Nodi WSN ELEDIALAB

(b)

Figura 2: in (a) lo schema a blocchi della rete di monitoraggio ed in (b) il dettaglio dei nodi sensore sviluppati.

Il sistema sviluppato è attualmente impiegato per il monitoraggio delle opere esposte alla mostra dal titolo Impressionisti e post-impressionisti. Capolavori dall’Israel Museum di Gerusalemme; l'esposizione comprende capolavori di Camille Pissarro, Edgar Degas, Pierre-Auguste Renoir, Claude Monet e l’americano Childe Hassam, e post-impressionisti come Paul Cézanne, Vincent van Gogh, Paul Gauguin, Henri-Edmond Cross, e ancora Edouard Vuillard, insieme a splendidi esempi di scultura di Auguste Rodin, Edgar Degas e Aristide Maillol. Nella Figura 3 sono visibili alcuni dettagli dell'installazione presso le sale del museo.

 

Installazione su opera 1 (MART WSN)
Installazione su Opera 2 (MART WSN)
Installazion su Opera 3 (MART WSN)
Installazione su Opera 4 (MART WSN)

Figura 3: alcuni dettagli dell'installazione di test presso le sale espositive del MART.

A livello utente (ovvero il personale di vigilanza) è stata realizzata dal personale tecnico MART una mappa interattiva che costituisce il front-end del sistema WSN e sulla quale viene visualizzato lo stato di ogni opera, il livello di carica dei dispositivi e viene segnalata l’eventuale presenza di allarmi (sia in modo visivo che sonoro). L’interfacciamento con il videoserver permette infine di attivare automaticamente e real-time le videocamere della zona nella quale sono presenti gli allarmi permettendo così una rapida verifica della reale situazione da parte dell’operatore.

In conclusione, per la messa in opera del sistema non è richiesta alcun tipo di infrastruttura (i nodi sono alimentati attraverso comuni batterie) e l’installazione avviene semplicemente applicando il nodo sensore all’opera da monitorare. Grazie all’elevata riconfigurabilità, scalabilità e versatilità di tali dispositivi, i costi ed i tempi di messa in opera dell’intero sistema di sorveglianza vengono drasticamente ridotti fornendo al contempo un sistema completo e modulare. Infine, questo sistema potrà essere ulteriormente sviluppato sia riducendo le dimensioni fisiche dei dispositivi, sia integrando su ogni nodo nuovi moduli (sensori anti avvicinamento, sensore di temperatura e umidità, contatto antistacco,attuatori, cicalini, ecc...).

 

Il progetto sEmPliCE è frutto della collaborazione tra ELEDIA Research Center, la Centrale Unica per l’Emergenza (CUE), e il Servizio Geologico della Provincia Autonoma di Trento. L’obiettivo principale del progetto è rendere facilmente fruibili i numerosi dati relativi al monitoraggio ambientale acquisiti da tecnologie eterogenee presenti sul territorio provinciale. Il servizio geologico gestisce quotidianamente una grande mole di informazioni in ambito idrogeologico e l’analisi di tali dati richiede competenze specifiche oltre ad una conoscenza approfondita del territorio locale, anche per questo motivo solo personale esperto può interpretare ed elaborare correttamente i dati provenienti dai siti oggetto del monitoraggio.

In questo contesto, il progetto sEmPliCE si prefigge il compito di svolgere un duplice ruolo

  • organizzare tutti i dati in modo che siano facilmente accessibili tramite una piattaforma software intuitiva e utilizzabile anche con dispositivi mobili di ultima generazione (es. smartphone, tablet, ecc.);
  • regolare l’accesso alle informazioni in base al profilo dell’utente che accede al sistema. Il cittadino interessato ad un particolare evento sul territorio può informarsi ed essere aggiornato accedendo ad informazioni di alto livello e riassuntive dello stato generale. L’utente esperto invece deve poter accedere al dettaglio specifico che possa fornire supporto alle analisi complesse in corso.

 
La soluzione proposta dal progetto sEmPliCE si basa su una App per terminali mobili. L’acronimo stesso richiama il principio che si vuole garantire: la semplicità. Sia l’organizzazione grafica che l’architettura software sono impostate seguendo un approccio multi-livello, dal macro al micro.
 
 
 

Più in dettaglio, il livello 1 (macro) è una overview dei siti monitorati sul territorio provinciale, classificati anche graficamente in base al tematismo corrispondente (es. eventi franosi, sismici, falde, ecc.). Alcuni messaggi brevi permettono una rapida visione di insieme dello stato attuale dei vari siti. Cliccando su un sito specifico, è possibile scendere di livello fino ad arrivare al dettaglio del singolo sensore (micro), passando attraverso layer intermedi utili per razionalizzare la procedura di accesso al dato. In base al tipo di utente, a cui è richiesta una autenticazione iniziale, alcune caratteristiche come l’ordine, il tipo e la rappresentazione grafica delle informazioni cambiano in modo dinamico. In questo modo, sEmPliCE si adatta ai bisogni dell’utenza fornendo un servizio flessibile e cercando di attribuire il giusto peso al dato in base al contesto e alle necessità di utilizzo.

sEmPliCE è un collettore di informazioni che possono provenire da tecnologie eterogenee, spaziando dalla stazione meteo al sismografo, dall’estensimetro alla webcam. Oltre alla sensoristica già disponibile, sEmPliCE è predisposto per gestire nuove tipologie di dati acquisiti con tecnologie innovative. In questo ambito, l’ELEDIA Research Center sta sviluppando in collaborazione con il personale del Servizio Geologico, un sistema prototipale di monitoraggio di eventi franosi basato sulla tecnologia delle reti di sensori wireless (Wireless Sensor Networks – WSNs). Tale sistema installato presso i siti di maggiore interesse sarà in grado di monitorare l’evoluzione dei parametri fisici correlati con i movimenti franosi e rilevare in modo automatico eventi anomali che saranno segnalati in tempo reale ad una centrale di controllo remota. Tali segnalazioni insieme agli altri dati disponibili rappresentano le informazioni in ingresso ad un sistema di supporto alle decisioni, a disposizione degli esperti che potranno valutare e pianificare eventuali azioni preventive.

 Le potenzialità del sistema sEmPliCE saranno presentate prossimamente in anteprima nel contesto della galleria espositiva “I rischi ambientali e la Protezione Civile” allestita presso il Muse di Trento. Maggiori informazioni saranno disponibili sul sito web di ELEDIA Research Center (www.eledia.ing.unitn.it) e della Protezione Civile di Trento (www.protezionecivile.tn.it).

 

 

Eledia

 

The ELEDIA research center of the Department of Information Engineering and Computer Science (University of Trento) developed an integrated system based on a WSN for the monitoring of environmental parameters, such as temperature, humidity and brightness, at the CISCA server room.

The real-time monitoring, especially temperature measurement, is a very critical task in this environment because the overheating of the room (eg. due to an air-conditioning system failure) can cause server shutdown or other malfunctions. The server room represent an ideal test-bed for distribuited monitoring system because the interesting parameters has a large range of spatial-variability.

 

 

Logo Smart Antenna Eledialab

The term adaptive antenna (or smart antenna) is used for an antenna array when the weighting on each element is applied in a dynamic fashion. The amount of weighting on each channel is not fixed at the time of the array design, but rather decided by the system at the time of processing the signals to meet required objectives. In other words, the array pattern adapts to the situation and the adaptive process is under control of the system.

 

Smart Architecture
Figure 1: block diagram of the ELEDIALab Fully Adaptive Antenna System

 

The smart antennas offer substantial benefits to the design of wireless mobile communications systems, which can be summarized as follows:
• Increased antenna gain: this helps increase the base station range and coverage, extends battery life, and allows for smaller and lighter handset designs.
• Interference rejection: antenna pattern nulls can be generated toward interference sources. 
• Diversity: composite information from the array can be used to minimize fading and other undesirable effects of multipath propagation. In addition to spatial and polarization diversity, antenna arrays also allow the use of angular diversity. As with any other adaptive antennas application, the nature of the system in which they are employed, the conditions under which they operate, and the results they are intended to achieve all have to be considered when a smart antenna system design is incorporated in a specific wireless system.

The main advantage of adaptive antenna arrays compared with switched beam antennas is their ability to steer beams towards desired users and nulls toward interfering signals as they move around a sector.

 

The fully adaptive antenna system developed by the ELEDIALab Group works in the 2.4GHz-2.5GHz frequency range and it is composed by the following devices (see Fig. 1):

- n. 8 radiating elements: in the first protoype we employ a printed version of a dipole antenna with an integrated balun. Moreovere, it is possible to change this element in a easy way;

- n. 8 electronically managed RF Attenuator/Phase shifter: the ELEDIALab Group have develop a high precision Attenuator and Pahse Shifter controlled by a voltage signal that in a single devices combines a 0-360° phase shifter and an a 3 to 35 dB RF signal attenuator;

- n. 1 RF power splitter.

Smart Eledia -  Top View
Figure 2: top view of the Smart Antenna.
 
Smart Eledialab - Front
Figure 3: front view of the Smart Antenna.

Conventional beamformer or delay-and-sum beamformer has all the weights of equal magnitudes. To steer the array in a particular direction, the phases are selected appropriately. Withr ours smart antenna is also possible to dinamically change the magnitude of the weights so more degree of fredom are introduced (in Fig. 2 and 3 you can see the first prototype).

Both hardware and software modules have been separately tested and then integrated to assess the adaptive behaviour of the antenna system. Moreover, the smart antenna system have been tested in a anechoich chamber and also in a real scenario.

In a typical application, the antenna pattern has the main beam pointed in the desired signal direction, and has a null in the direction of the interference. Assume that the interference is not stationary but moving slowly. If optimal performance is to be maintained, the antenna pattern needs to adjust so that the null position remains in the moving interference direction (see Fig. 4).


Figure 4: the GUI of the optimization alghoritm to manage the smart antenna configuration.

The smart antenna prototype was validated at the Eledialb's Anechoic Chamber and in a unsupervised real scenario.

Figure 5: the experimental validation.

The SW Control Unit (based on the PSOM) performs the optimization of the array weights of the HW Control Unit in order to maximize the SINR Signal to Noise plus Interference Ratio (Figure 6). The resulting beam patterns in some TimeSteps are shown in the Figure 7.

fitness

Figure 6: the SINR behaviour resulting from some TimeSteps.

Finally, in the Figure 8 it is easy to observe that, as expected, in every TS the antenna array adapt his radiating pattern in order to minimize the signal received from the interference source.

result

Figure 7: the beam patterns (simulated in red and measured in green) resulting from the TS1, TS2 and TS5.


La sicurezza e il monitoraggio in tempo reale di cantieri edili è un tema di grande attualità. All'interno di un'area in rapida evoluzione e in continuo cambiamento come è un cantiere, risulta molto difficile effettuare monitoring tramite sistemi cablati sia per motivi logistici che di costo.


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 E' in questo contesto che nasce il progetto Smart Building Site sviluppato dal Centro di Ricerca ELEDIA dell'Università di Trento, basato sull'utilizzo della tecnologia Wireless Sensor Network (WSN) al fine di garantire:

  • grande versatilità
  • costi contenuti
  • facilità di installazione
  • rilocabilità
  • bassi consumi energetici
  • elevata scalabilità
  • ridotte dimensioni
  • monitoraggio in tempo reale e continuativo.

Architettura WSN
Architettura di rete WSN

Il sistema si pone l'obiettivo principale di facilitare gli adempimenti relativi alla sicurezza nei cantieri, nel rispetto dei requisiti normativi (D.Lgs. 81/08, comunemente conosciuto come Testo unico in materia di salute e sicurezza nei luoghi di lavoro; ISPESL, Istituto Superiore per la Prevenzione e la Sicurezza del Lavoro, www.ispesl.it; INAIL, www.inail.it).
Ogni operaio ha in dotazione un dispositivo wireless che può essere installato sul caschetto ed in grado di monitorare le attività tramite sensori integrati. Le informazioni acquisite sono trasmesse ad una centrale di controllo remota che le processa in tempo reale per garantire una gestione centralizzata e una supervisione costante degli operai.

Lo scenario in oggetto è particolarmente complesso ed è possibile trarre numerosi spunti per realizzare una vasta gamma di funzionalità a supporto della sicurezza nel cantiere. Tra queste, il sistema proposto è volto a:

  • Riconoscimento e classificazione operai
  • Localizzazione e tracking del personale
  • Rilevamento della caduta e gestione degli allarmi
  • Monitoraggio parametri ambientali (presenza ghiaccio, umidità dell'aria)
  • Rilevamento utilizzo attrezzatura anti-infortunistica
  • Supervisione utilizzo dei macchinari (operaio autorizzato)
  • Analisi statistica dell'attività giornaliera (calcolo ore/uomo)
  • Identificazione di sovrapposizioni spaziali e temporali delle attività (rilevamento affollamento e individuazione rischi interferenti)

Slideshow Demo Cantiere Intelligente

 



Il coordinatore della sicurezza può utilizzare il sistema di monitoraggio tramite qualsiasi dispositivo portatile (laptop, tablet) che abilita l'accesso all'interfaccia grafica di visualizzazione e gestione del cantiere.

Interfaccia Grafica
Interfaccia Grafica di Gestione del Sistema
Interfaccia Grafica
Visualizzazione Posizione e Stato degli Operai nel Cantiere


 

Obiettivi:

  • Facilitare la supervisione degli operai
  • Ridurre il rischio di infortuni
  • Incrementare l'efficienza dei processi lavorativi
  • Affiancare la gestione e il controllo dei responsabili alla sicurezza

 

 

 

 
Smart Energy Management è un progetto sviluppato dal Centro di Ricerca ELEDIA basato sullo studio e la validazione di un approccio metodologico per la gestione ottimizzata dei carichi in una smart grid.
 
L'obiettivo del progetto Smart Energy Management è quello di sviluppare un sistema di gestione della rete di energia elettrica in grado di raggiungere gli interessi di:
  • Utenti (utilizzatori) dell'energia elettrica:
    • Riducendo il costo dell'energia;
  • Gestori e fornitori di energia elettrica:
    • Minimizzando i picchi di domanda di energia elettrica;
    • Prevedendo l'utilizzo della rete da parte degli utenti.

I picchi nella domanda dell'energia rappresentano un problema nella gestione della rete elettrica, in quanto:
  • La rete potrebbe non sostenere la domanda e causare malfunzionamenti e disservizi all'utente finale;
  • l'efficienza della rete e dei suoi componenti diminuisce determinando maggiore instabilità;
  • il costo dell'energia deve aumentare necessariamente per imporre un comportamento virtuoso agli utenti.

L'algoritmo utilizzato in Smart Energy Management per gestire la distribuzione dell'energia elettrica tra gli utenti ed evitare cosi picchi di consumo si basa sulla teoria dei giochi (Game Theory).
I "giocatori" sono rappresentati dagli utilizzatori finali dell'energia elettrica, ognuno dei quali può modificare lo stato dei propri elettrodomestici spostandone la fascia oraria di funzionamento per cercare di minimizzare il costo della proprio consumo energetico.

La teoria dei giochi trova la soluzione a questo problema minimizzando un funzionale di costo con l'obiettivo di ottimizzare il profilo di consumo totale dell'energia (energia totale consumata da tutti gli utenti) e ottenere un comportamento più "flat" possibile.
In questo modo vengono trovate delle combinazioni ottime di fasce di utilizzo degli elettrodomestici  sia per gli utenti che per i fornitori di energia elettrica, in quanto viene minimizzato il costo dell'energia grazie alla riduzione dei picchi nella domanda da parte degli utilizzatori.
Il sistema sviluppato è adattativo, cioè se un utilizzatore cambia il proprio profilo di utilizzo dell'energia elettrica, il sistema individua il cambiamento e ricalcola in tempo reale i profili di tutti gli utilizzatori in modo che siano soddisfatti i requisiti appena descritti.

 

Nei laboratori del Centro di Ricerche ELEDIA dell'Università degli Studi di Trento (Povo - TN), è stato allestito un dimostratore del sistema dove i vari utenti sono stati simulati utilizzando delle lampade che assorbono diverse potenze nominali. Il sistema al suo avvio calcola autonomamente per ogni utente le migliori fasce di utilizzo dell'energia elettrica. Inoltre è possibile simulare il cambiamento dello stato di un utente cambiando lo stato della lampada o sostituendola con una con diversa potenza nominale. Per evitare un sovraccarico in quella faccia oraria il sistema reagisce ricalcolando le nuove fasce orarie per ogni utente.  

 

 

Una "Wireless Sensor Network" (WSN) è una rete di dispositivi wireless distribuiti spazialmente, i quali mediante l'impiego di sensori consentono il monitoraggio di condizioni fisiche ed ambientali particolarmente importanti in ambito civile. 
Affinchè le prestazioni della rete siano ottimali è necessario che tali dispositivi risentano il meno possibile della presenza di entità comunicative esterne, le quali, in modo involontario o intenzionale, possono disturbare le comunicazioni fra i dispositivi appartenenti alla rete. 
Una delle caratteristiche principali di una rete di sensori è quella di essere fortemente dinamica; è necessario quindi agire anche sui dispositivi dinamicamente, in modo tale che essi si adattino alle condizioni attuali della rete. 
Per fare questo si fa uso delle cosiddette "Smart Antennas", sistemi costituiti da array di singoli elementi: ciò permette di variare il diagramma di radiazione di tali antenne in modo rapido ed immediato: in particolare si vuole che ciascun diagramma presenti i massimi nelle direzioni dei dispositivi con cui comunicare, mentre i minimi nelle direzioni dei segnali interferenti. 
E' stato sviluppato un programma, denominato "Wireless Sensor Networks Simulator", che consente di simulare il funzionamento di una rete di sensori qualsiasi: definite da parte dell'utente le caratteristiche che contraddistinguono ciascun dispositivo, un software automatico, mediante un processo iterativo di ottimizzazione che sfrutta la tecnica "Particle Swarm Optimization" (PSO), permette di determinare la configurazione ottima dei diagrammi di radiazione associati ai diversi dispositivi.

MANUALE D'USO

 

  • Attendere il caricamento della demo. Si osserva come la demo sia un Applet Java: è richiesto, quindi, che sulla propria macchina sia installata correttamente la Java Virtual Machine.
    • All'interno del "Pannello di configurazione", posto in basso a destra, scegliere le caratteristiche dei diversi dispositivi appartenenti alla rete:
      • può essere variata la posizione all'interno dello scenario del dispositivo "Node 1";
      • il dispositivo "Node 2" può essere settato come "amico" o come "nemico";
      • non è possibile variare in alcun modo le caratteristiche degli altri quattro dispositivi;
      • per visualizzare le caratteristiche di un dispositivo qualsiasi è sufficiente premere con il tasto destro del mouse, all'interno del "Pannello dei diagrammi", sul nodo stesso;
      • Premere, all'interno del "Pannello di controllo" il tasto play. Ciò porta all'esecuzione delle seguenti procedure:
      • viene mostrata automaticamente passo dopo passo l'evoluzione dei diagrammi di radiazione dei diversi dispositivi, a seguito dell'esecuzione del processo di ottimizzazione mediante PSO;
      • per ciascuna configurazione si ha la visualizzazione del valore di fitness ad esso associato, rappresentato sia in termini numerici che mediante grafico;
      • per ciascuna configurazione, inoltre, si ha la visualizzazione del passo ad esso associato (step0 rappresenta la configurazione iniziale, step69 quella finale).
      • Premere il tasto stop per terminare il processo simulativo.
      • Per visualizzare il processo di ottimizzazione in modalità non automatica ma manuale, impiegare le frecce direzionali.

LEGENDA

 

  • Dispositivo "amico" o "nemico":
    • amico: diagramma di radiazione verde;
      • nemico: diagramma di radiazione rosso;
    • Pannello di configurazione: pannello attraverso cui configurare le caratteristiche dei diversi dispositivi.
      • Pannello di controllo: pannello attraverso cui far partire ed arrestare il processo di ottimizzazione.
      • Pannello dei diagrammi di radiazione: pannello che consente di visualizzare la disposizione spaziale dei diversi dispositivi all'interno della rete e i relativi diagrammi di radiazione.
      • Pannello della funzione di fitness: pannello che consente di visualizzare l'andamento della funzione di fitness associata al processo iterativo di ottimizzazione mediante PSO.

CARATTERISTICHE SCENARIO

 

  • Dimensioni: 1 metro x 1 metro.
    • Modello di propagazione del segnale: "Free Space Loss"

OSSERVAZIONI

 

  • Il processo di ottimizzazione mediante PSO è contraddistinto dalle seguenti caratteristiche:
    • vengono variati i diagrammi di radiazione associati ai dispositivi "amici", mentre quelli dei "nemici" non vengono modificati;
      • si cerca di minimizzare la potenza trasmessa dai dispositivi "amici" e ricevuta da quelli "nemici" e contemporanemante massimizzare la potenza ricevuta dagli altri dispositivi "amici" della rete;
    • Considerando le diverse configurazioni della rete disponibili è possibile osservare i seguenti aspetti:
      • i diagrammi di radiazione finali variano al variare della configurazione della rete (posizione di "Node 1" e stato di "Node 2");
      • i dispositivi contraddistinti da array di antenne riescono a direzionare il proprio di diagramma di radiazione in modo più opportuno rispetto a quelli aventi aventi semplici dipoli.