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Sistemi di Misura Distribuiti, �AA 2025-2026

  • Docente: Francesco Santoni
  • Tel: 075 585 3635 (studio)
  • E-mail: francesco.santoni@unipg.it
  • Orario ricevimento: mercoledì 11:30-13:00 (anche in giorni diversi, previo appuntamento)
  • Anche via Microsoft Teams o strumenti simili
  • Pagine personale docente: sites.google.com/view/emerlab/about-us/francesco-santoni

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Sistemi di Misura Distribuiti, �AA 2025-2026

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Obiettivi del corso

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Comprensione delle nozioni relative alla acquisizione, alla trasmissione e all’utilizzo di dati di misura mediante sistemi distribuiti, a topologia stazionaria o dinamica, realizzata con tecnologie cablate o wireless.

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Sistemi di Misura Distribuiti,

Programma del corso

  • Parte I – Introduzione corso e sistemi di acquisizione dati
    • Introduzione ai sistemi di misura distribuiti;
    • Sistemi di acquisizione dati, blocchi costitutivi:
      • Sensori
      • CPU
      • Software
      • Hardware di acquisizione (DAQ)
    • Blocchi costituivi DAQ:
      • Sottosistema analogico e condizionamento del segnale
      • Sottosistema digitale input/output
      • Clock
      • Caratterizzazione del clock, varianza di Allan (derivazione ed esempi)
    • Caratterizzazione ADC
      • Risoluzione e bit effettivi
      • Guadagno e offset
      • Non-linearità integrale e differenziale
      • Teoria statistica della quantizzazione
      • Quantizzazione e dither
      • Test servo-loop
      • Test a istogramma lineare e sinusoidale

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Sistemi di Misura Distribuiti,

Programma del corso

  • Parte II – Bus e reti per l’automazione industriale
    • Richiami su linee di trasmissione ed impedenza caratteristica
    • Doppino intrecciato, caratteristiche e vantaggi
    • Tipologie di terminazione con adattamento di impedenza
    • Richiami modello ISO/OSI
    • Introduzione generale bus per PC e arbitraggio
    • ISA e PCI
    • Limiti dei bus a linee parallele
    • PCI Express
      • Storia e sviluppo
      • Architettura
      • Livello fisico: corsie ed efficienza dei collegamenti
      • Encoding 8b/10b e successivi sviluppi 128b/130b e 242b/256b
      • PCIe e Chipset: impatto di PCIe sull’evoluzione delle motherboard
      • Cenni sui livelli di collegamento dati e trasporto

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Programma del corso

    • Concetto di bus di campo
    • Standard RS-232, RS-422, RS-485
    • Linee a loop di corrente 4-20 mA
    • Protocollo HART
    • Architettura bus di campo Profibus
    • Architettura bus di campo Foundation
    • Architettura CAN bus
    • (Bus per microcontrollore: I2C e SPI)
    • Ethernet
      • Architettura e protocollo (richiami)
      • Collisioni CSMA/CD e CSMA/CA (obsoleto? Non proprio)
      • Determinismo
      • Time sensitive networking
    • Wireless in contesto industriale
    • Protocollo Wi-Fi
    • Tecniche di modulazione
    • Bluetooth e BLE – ZigBee - LoRa
    • (Cenni su bus in sistemi avionici)

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Programma del corso

  • Parte III – Tecniche di trasmissione digitale
    • Controllo degli errori: aritmetica modulo 2 e Cyclic Redundancy Check
    • Scrambling dei dati
    • Introduzione Phase-locked loop e recupero del clock
    • Recupero del clock in PCI express
    • Sincronizzazione nodi Ethernet e Synchronized Ethernet
    • Analisi spettrale delle codifiche digitali
  • Parte IV – Implementazione di sistemi distribuiti
    • Wireless Sensor Networks
      • Introduzione e problemi canonici: controllo di area e di oggetti
      • Architettura
      • Livello fisico: nodo, energy harvesting, richiami su metodi di modulazione e trasmissione
      • Livello collegamento dati: continuo, a eventi, a richiesta, gestione collisioni
      • Livello di rete: routing (flooding, gossiping, data centric, clustering)
    • Sistemi di localizzazione e loro caratterisitiche (se possibile: cenni GPS e problema del GDOP)
    • Filtri di Kalman

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Modalità

  • Lezioni frontali
  • Dimostrazioni di utilizzo di sistemi distribuiti

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Modalità Esame

  • Esame orale
  • Tesina (attività sperimentale)
  • NB: la discussione della tesina e dell’esame orale possono essere asincrone, a discrezione dello studente

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Modalità Esame

  • Argomenti Tesina (elenco indicativo):
    • Realizzazione/test di sistemi per l’acquisizione e trasmissione dati basati su microprocessore
    • Possibile coordinamento con il Collega Marco Dionigi (cubesat)
    • Proposte interessanti del candidato

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  • Materiale di riferimento:
    • Principalmente le slide mostrate a lezione
    • Non ci sono testi di riferimento per il corso. Per ogni argomento verranno citati opportuni riferimenti bibliografici per approfondimento

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Introduzione - Definizioni

  • Un sistema di misura distribuito (Distributed Measurement System) è un insieme di dispositivi di misura, localizzati in punti diversi di un processo o di un’infrastruttura, interconnessi tramite una rete di comunicazione e coordinati da uno o più centri di controllo, allo scopo di acquisire, elaborare e presentare dati di misura in modo coerente e integrato.
  • Un sistema di misura distribuito è una rete di sensori e strumenti collocati in luoghi distinti, capaci di raccogliere informazioni locali e condividerle in tempo reale o differito, così da fornire una visione complessiva di fenomeni che si sviluppano su aree estese o strutture complesse.
  • Un sistema di misura distribuito è un insieme coordinato di punti di misura, connessi tra loro e geograficamente separati, che opera come un unico strumento per monitorare e analizzare grandezze fisiche su scala spaziale estesa.

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Introduzione

  • Sistemi di Misura Distribuiti
  • Accezione di SMD non univoca
    • Sistemi cablati o wireless tradizionali
    • Wireless Sensor Networks (WSN)
  • Argomento fortemente interdisciplinare
  • Integrato con paradigmi come IoT, I4.0, Cloud Computing, e Big Data

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  • Applicazione tipica SMD tradizionali: monitoraggio e controllo di processo in ambito industriale

Fonte: [2]

Fonte: [1]

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Introduzione

  • Sistemi cablati o wireless tradizionali
    • Topologia fissa
    • Focus su determinismo, real-time, scalabilità…
    • Alimentazione da rete elettrica
    • “Lifetime” indefinito dei dispositivi connessi
    • Data rate
    • Gestibili con protocolli fortemente riconducibili ai “layer” del modello descrittivo ISO-OSI (Routing Address Based)
    • Topologia segmentata (bus, e derivate) o ad anello
    • Elaborazione e arbitraggio tendenzialmente centralizzati, monitoraggio di parametri specifici

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Introduzione

  • Wireless Sensor Networks
    • Topologia variabile nel tempo
    • Focus su ridondanza, real time, scalabilità…
    • Alimentazione autonoma
    • “Lifetime” limitato dei dispositivi
    • Apparati economici, basso data rate
    • Detection, Positioning
    • Gestibili con protocolli non sempre riconducibili ai “layer” del modello descrittivo ISO-OSI (Routing Data Centric o Location Based)
    • Topologia mesh, utilizzo del clustering
    • Sensor fusion
    • Arbitraggio distribuito

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  • Applicazione tipica Wireless Sensor Networks: monitoraggio perimetrale o di area, tracking

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Fonte: [4]

Fonte: [5]

Fonte: [6]

Fonte: [7]

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Introduzione

  • Diversi punti in comune:
    • Presenza di sensori, blocchi di condizionamento e acquisizione del segnale analogico, conversione A/D;
    • Vincoli di accuratezza, determinismo, real-time processing;
    • Presenza di almeno un nodo gerarchicamente superiore agli altri (Master in SMD tradizionali, Sink in WSN), con elevate capacità di calcolo e trasmissione dati.
    • Gradi di libertà nel delocalizzare l’elaborazione e la memorizzazione dell’informazione rispetto alla sorgente
    • Stack protocollare semplificato e/o proprietario

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Sensore

Acquisizione

Elaborazione

Trasmissione

  • Problematiche includono aspetti relativi a:
    • Hardware
    • Software
    • Protocolli di comunicazione
    • Test
    • Accuratezza
  • Schema di un nodo

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Introduzione

  • Fonti immagini:
  • https://commons.wikimedia.org/wiki/File:EPSsystem.jpg�https://www.epsprocess.com/technology-overview/
  • https://prfactory.files.wordpress.com/2011/04/chart_fms_small.jpg
  • http://www.rtcmagazine.com/files/images/626/101470-485_rtc1001ts_opt3_large.jpg
  • http://www.ccrc.nthu.edu.tw/PPAEUII-Sub4/images/pic/MAC_routing6.jpg
  • http://www.robotster.org/images/agilla_69.jpg
  • http://www.mdpi.com/1424-8220/10/4/3100/ag
  • http://graphics.stanford.edu/projects/lgl/papers/lcgz-agdeenpusn-04/image.gif
  • Honbo Zhuo, The Internet of Things in the Cloud – A Middleware Perspective , CRC Press

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