Sviluppo e ottimizzazione di un sistema software-firmware per il controllo di nodi sensori alimentati da energy harvesting in ambito industriale

In questo lavoro di tesi vengono presentati la progettazione e lo sviluppo di un sistema di rilevamento urti (shock detection) e radiolocalizzazione tramite tecnologia Ultra-Wideband (UWB) per ambiti industriali, alimentato mediante trasferimento di potenza wireless e sorgenti fotovoltaiche. Il progetto è sviluppato a partire da un'architettura di base costituita da moduli radio UWB controllati da microcontrollori o da calcolatori a scheda singola, rispettivamente con funzionalità di “tag” da localizzare e di “ancora” in posizione fissa.  Nella prima fase del lavoro, l’implementazione ha riguardato lo sviluppo di un nuovo firmware del tag, programmando un microcontrollore ottimizzato al fine di minimizzare l’energia consumata durante le operazioni di ranging e la potenza consumata durante le fasi di deep sleep del dispositivo. Il microcontrollore controlla un modulo radio UWB e gestisce un accelerometro digitale a bassissimo consumo, comunicando l’eventuale rilevamento urti subiti dal tag mediante l’invio di un apposito payload nel frame UWB.  Nella seconda fase, l'architettura è stata migliorata per supportare la localizzazione spaziale in 2D dei tag tramite un algoritmo di trilaterazione, fornendo anche una visualizzazione grafica del risultato.  Per la validazione del sistema si è proceduto collaudando singolarmente i blocchi, procedendo progressivamente all’integrazione complessiva. Dopodiché si è passati all’integrazione del sistema e all’ottimizzazione del consumo di potenza complessivo mediante strumentazione di misura in grado di rilevare i profili istantanei di corrente. Infine, è stata progettata una scheda a circuito stampato (PCB) per l’interfacciamento tra i nodi fissi e i moduli radio. Un approccio low-power è stato un requisito fondamentale per l'integrazione in un più complesso e ampio sistema alimentato tramite energy harvesting, sviluppato dall’Università di Bologna nell'ambito del progetto di ricerca europeo LoLiPoP-IoT.