Expanding Horizons with Chameleon: Team Missouri\u27s Innovative Home Automation System

Team Missouri\u27s 2009 Solar Decathlon entry featured a revolutionary home automation system, Chameleon, promoting both convenience and energy savings. This was accomplished using the typical controls of a convenience based automation system, while maintaining user set points, such as a home\u27s ambient temperature, in the most energy efficient manner. Environmental features of the system include controls for home heating, ventilation and air conditioning, lighting, windows, shades, appliances, indoor air quality, as well as indoor and outdoor irrigation. Further analysis and refinement to the prototype system displayed at the competition is also presented in this paper

Developing residential wireless sensor networks for ECG healthcare monitoring

Wireless technology development has increased rapidly due to it’s convenience and cost effectiveness compared to wired applications, particularly considering the advantages offered by Wireless Sensor Network (WSN) based applications. Such applications exist in several domains including healthcare, medical, industrial and home automation. In the present study, a home-based wireless ECG monitoring system using Zigbee technology is considered. Such systems can be useful for monitoring people in their own home as well as for periodic monitoring by physicians for appropriate healthcare, allowing people to live in their home for longer. Health monitoring systems can continuously monitor many physiological signals and offer further analysis and interpretation. The characteristics and drawbacks of these systems may affect the wearer’s mobility during monitoring the vital signs. Real-time monitoring systems record, measure, and monitor the heart electrical activity while maintaining the consumer’s comfort. Zigbee devices can offer low-power, small size, and a low-cost suitable solution for monitoring the ECG signal in the home, but such systems are often designed in isolation, with no consideration of existing home control networks and smart home solutions. The present study offers a state of the art review and then introduces the main concepts and contents of the wireless ECG monitoring systems. In addition, models of the ECG signal and the power consumption formulas are highlighted. Challenges and future perspectives are also reported. The paper concludes that such mass-market health monitoring systems will only be prevalent when implemented together with home environmental monitoring and control systems

The Internet of Things for the Intelligent Management of the Heating of a Swimming Pool by Means of Smart Sensors

[EN] By using various smart sensors integrated in a global domotic system, a proper solar thermal management is executed. The goal is to properly manage solar energy for heating swimming pool using various devices installed at home. Swimming pools are a necessity in many communities. In summer, they are a source of refreshment. However, maintaining a swimming pool at an optimal temperature can be a challenge even in the summer months. The use of the Internet of Things in homes has enabled proper management of solar thermal energy, thus significantly improving the quality of life by making homes more comfortable and safer without using additional resources. The houses built today have several smart devices that manage to optimize the energy consumption of the house. The solutions proposed in this study to improve energy efficiency in swimming pool facilities include the installation of solar collectors to heat swimming pool water more efficiently. The installation of smart actuation devices (to efficiently control energy consumption of a pool facility via different processes) together with sensors that provide valuable information on energy consumption in the different processes of a pool facility, can optimize energy consumption thus reducing overall consumption (by 90%) and economic cost (by more than 40%). Together, these solutions can help to significantly reduce energy consumption and economic costs and extrapolate it to different processes of similar characteristics in the rest of the societyS

Ownserver: sistema doméstico de prestação de serviços cloud

Neste trabalho foi considerada a possibilidade de incorporar serviços remotos, normalmente associados a serviços web e cloud computing, numa solução local que centralizasse os vários serviços num único sistema e permitisse aos seus utilizadores consumir e configurar os mesmos, quer a partir da rede local, quer remotamente a partir da Internet. Desta forma seria possível conciliar o acesso a partir de qualquer local com internet, característico nas clouds, com a simplicidade de concentrar num só sistema vários serviços que são por norma oferecidos por entidades distintas e ainda permitir aos seus utilizadores o controlo e configuração sobre os mesmos. De forma a validar que este conceito é viável, prático e funcional, foram implementadas duas componentes. Um cliente que corre nos dispositivos dos utilizadores e que proporciona a interface para consumir os serviços disponíveis e um servidor que irá conter e prestar esses serviços aos clientes. Estes serviços incluem lista de contactos, mensagens instantâneas, salas de conversação, transferência de ficheiros, chamadas e conferências de voz e vídeo, pastas remotas, pastas sincronizadas, backups, pastas partilhadas, VoD (Video-on Demand) e AoD (Audio-on Demand). Para o desenvolvimento do cliente e do servidor foi utilizada a framework Qt que recorre à linguagem de programação C++ e ao conjunto de bibliotecas que possui, para o desenvolvimento de aplicações multiplataforma. Para as comunicações entre clientes e servidor, foi utilizado o protocolo XMPP (Extensible Messaging and Presence Protocol), pela forma da biblioteca qxmpp e do servidor XMPP ejabberd. Pelo facto de conter um conjunto de centenas de extensões atualmente ativas que auferem funcionalidades como salas de conversação, transferências de ficheiros e até estabelecer sessões multimédia, graças à sua flexibilidade permitiu ainda a criação de extensões personalizada necessárias para algumas funcionalidades que se pretendeu implementar. Foi ainda utilizado no servidor a framework ffmpeg para suportar algumas funcionalidades multimédia. Após a implementação do cliente para Windows e Linux, e de implementar o servidor em Linux foi realizado um conjunto de testes funcionais para perceber se as funcionalidades e seus mecanismos funcionam corretamente. No caso onde a análise da performance e do consumo de recursos era importante, foram realizados testes de performance e testes de carga

Green Buildings and Ambient Intelligence: case study for N.A.S.A. Sustainability Base and future Smart Infrastructures

Con la diffusione delle smart infrastructures, espressione con cui ci si riferisce collettivamente ai concetti di smart cities e smart grid, i sistemi di building automation vedono il proprio ruolo espandersi oltre i tradizionali limiti degli ambienti isolati che sono progettati per gestire, supervisionare ed ottimizzare. Da sistemi isolati all’interno di edifici residenziali o commerciali, stanno iniziando ad ottenere un ruolo importante su scala più ampia nell’ambito di scenari più complessi a livello urbano o a livello di infrastruttura. Esempi di questa tendenza possono essere le attuali sperimentazioni in varie città del mondo per automatizzare l’illuminazione pubblica, complessi residenziali diffusi (spesso denominati smart connected comunities) e microgrid locali generate dalla federazione di varie unità residenziali a formare cosidette virtual power plants. A causa di questo processo, ci sono aspettative crescenti circa il potenziale delle reti di automazione di introdurre funzionalità sofisticate da un parte ed efficienza energetica dall’altra, ed entrambi gli aspetti su vasta scala. Sfortunatamente questi due obiettivi sono per diversi motivi in conflitto ed è dunque inevitabile individuare un ragionevole compromesso di progettazione. Questa ricerca realizza una caratterizzazione delle attuali tecnologie di automazione per identificare i termini di tale compromesso, con un’attenzione maggiormente polarizzata sugli aspetti di efficienza energetica, analizzata seguendo un approccio olistico, affrontando diversi aspetti del problema. Indubbiamente, data la complessità del vasto scenario tecnologico delle future smart infrastructures, non c’è una finalità sistematica nel lavoro. Piuttosto si intende fornire un contributo alla conoscenza, dando priorità ad alcune sfide di ricerca che sono altresì spesso sottovalutate. Il Green networking, ovvero l’efficienza energetica nel funzionamento di rete, è una di tali sfide. L’attuale infrastruttura IT globale è costruita su attrezzature che collettivamente consumano 21.4 TWh/anno (Global e-Sustainability Initiative, 2010). Questo è dovuto alla scarsa consapevolezza del fatto che le specifiche dei protocolli di comunicazione hanno varie implicazioni sull’efficienza energetica e alla generale tendenza ad una progettazione ridondante e sovra-dimensionata per il caso peggiore. Questo problema potrebbe essere riscontrato anche nelle reti di automazione, specialmente data la tendenza di cui si discuteva sopra, e in tal caso, queste potrebbero introdurre un ulteriore carbon footprint, in aggiunta a quello della rete internet. In questa ricerca si intende dimensionare tale problema e proporre approcci alternativi agli attuali modelli di hardware e protocollo tipici delle tecnologie di automazione in commercio. Spostandosi dalla rete di controllo all’ambiente fisico, altro obiettivo di questo lavoro è la caratterizzazione di sistemi di gestione automatica dei plug loads, carichi elettrici altrimenti non gestiti da alcun impianto di building automation. Per tali sistemi verranno mostrati i limiti e le potenzialità, identificando potenziali problematiche di design e proponendo un approccio integrato di tali sistemi all’interno di sistemi più ampi di gestione dell’energia. Infine, il meccanismo introdotto nella parte di green networking è potenzialmente in grado di fornire informazioni in tempo reale circa il contesto controllato. Si tratta di un potenziale sfruttabile per sviluppare soluzioni di Demand Side Management, allo scopo di effettuare previsioni di picco e di carico. Questa analisi è attualmente in corso, attraverso una partnership con Enel Distribuzione. With the advent of smart infrastructures, collective expression used here to refer to novel concepts such as smart cities and smart grid, building automation and control networks are having their role expanded beyond the traditional boundaries of the isolated environments they are designed to manage, supervise and optimize. From being confined within residential or commercial buildings as islanded, self-contained systems, they are starting to gain an important role on a wider scale for more complex scenarios at urban or infrastructure level. Example of this ongoing process are current experimental setups in cities worldwide to automate urban street lighting, diffused residential facilities (also often addressed to as smart connected communities) and local micro-grids generated by the federation of several residential units into so-called virtual power plants. Given this underlying process, expectations are dramatically increasing about the potential of control networks to introduce sophisticated features on one side and energy efficiency on the other, and both on a wide scale. Unfortunately, these two objectives are, in several ways, conflicting, and impose to settle for reasonable trade-offs. This research work performs an assessment of current control and automation technologies to identify the terms of this trade-off with a stronger focus on energy efficiency which is analyzed following a holistic approach covering several aspects of the problem. Nevertheless, given the complexity of the wide technology scenario of future smart infrastructure, there isn’t a systematic intention in the work. Rather, this research will aim at providing valuable contribution to the knowledge in the field, prioritizing challenges within the whole picture that are often neglected. Green networking, that is energy efficiency of the very network operation, is one of these challenges. The current worldwide IT infrastructure is built upon networking equipment that collectively consume 21.4 TWh/year (Global e-Sustainability Initiative, 2010). This is the result of an overall unawareness of energy efficiency implications of communication protocols specifications and a tendency toward over-provisioning and redundancy in architecture design. As automation and control networks become global, they may be subject to the same issue and introduce an additional carbon footprint along with that of the internet. This research work performs an assessment of the dimension of this problem and proposes an alternative approach to current hardware and protocol design found in commercial building automation technologies. Shifting from the control network to the physical environment, another objective of this work is related to plug load management systems, which will be characterized as to their performance and limitations, highlighting potential design pitfalls and proposing an approach toward integrating these systems into more general energy management systems. Finally, the mechanism introduced above to increase networking energy efficiency also demonstrated a potential to provide real-time awareness about the context being managed. This potential is currently under investigation for its implications in performing basic load/peak forecasting to support demand side management architectures for the smart grid, through a partnership with the Italian electric utility

Embedded computing systems design: architectural and application perspectives

Questo elaborato affronta varie problematiche legate alla progettazione e all'implementazione dei moderni sistemi embedded di computing, ponendo in rilevo, e talvolta in contrapposizione, le sfide che emergono all'avanzare della tecnologia ed i requisiti che invece emergono a livello applicativo, derivanti dalle necessità degli utenti finali e dai trend di mercato. La discussione sarà articolata tenendo conto di due punti di vista: la progettazione hardware e la loro applicazione a livello di sistema. A livello hardware saranno affrontati nel dettaglio i problemi di interconnettività on-chip. Aspetto che riguarda la parallelizzazione del calcolo, ma anche l'integrazione di funzionalità eterogenee. Sarà quindi discussa un'architettura d'interconnessione denominata Network-on-Chip (NoC). La soluzione proposta è in grado di supportare funzionalità avanzate di networking direttamente in hardware, consentendo tuttavia di raggiungere sempre un compromesso ottimale tra prestazioni in termini di traffico e requisiti di implementazioni a seconda dell'applicazione specifica. Nella discussione di questa tematica, verrà posto l'accento sul problema della configurabilità dei blocchi che compongono una NoC. Quello della configurabilità, è un problema sempre più sentito nella progettazione dei sistemi complessi, nei quali si cerca di sviluppare delle funzionalità, anche molto evolute, ma che siano semplicemente riutilizzabili. A tale scopo sarà introdotta una nuova metodologia, denominata Metacoding che consiste nell'astrarre i problemi di configurabilità attraverso linguaggi di programmazione di alto livello. Sulla base del metacoding verrà anche proposto un flusso di design automatico in grado di semplificare la progettazione e la configurazione di una NoC da parte del designer di rete. Come anticipato, la discussione si sposterà poi a livello di sistema, per affrontare la progettazione di tali sistemi dal punto di vista applicativo, focalizzando l'attenzione in particolare sulle applicazioni di monitoraggio remoto. A tal riguardo saranno studiati nel dettaglio tutti gli aspetti che riguardano la progettazione di un sistema per il monitoraggio di pazienti affetti da scompenso cardiaco cronico. Si partirà dalla definizione dei requisiti, che, come spesso accade a questo livello, derivano principalmente dai bisogni dell'utente finale, nel nostro caso medici e pazienti. Verranno discusse le problematiche di acquisizione, elaborazione e gestione delle misure. Il sistema proposto introduce vari aspetti innovativi tra i quali il concetto di protocollo operativo e l'elevata interoperabilità offerta. In ultima analisi, verranno riportati i risultati relativi alla sperimentazione del sistema implementato. Infine, il tema del monitoraggio remoto sarà concluso con lo studio delle reti di distribuzione elettrica intelligenti: le Smart Grid, cercando di fare uno studio dello stato dell'arte del settore, proponendo un'architettura di Home Area Network (HAN) e suggerendone una possibile implementazione attraverso Commercial Off the Shelf (COTS)