Insegnamento SENSORI E MICROSISTEMI IN UN CONTESTO CLOUD COMPUTING
| Nome del corso di laurea | Ingegneria elettronica per l'internet-of-things |
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| Codice insegnamento | 70A00102 |
| Curriculum | Comune a tutti i curricula |
| Docente responsabile | Andrea Scorzoni |
| Docenti |
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| Ore |
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| CFU | 6 |
| Regolamento | Coorte 2017 |
| Erogato | Erogato nel 2018/19 |
| Erogato altro regolamento | |
| Attività | Caratterizzante |
| Ambito | Ingegneria elettronica |
| Settore | ING-INF/01 |
| Anno | 2 |
| Periodo | Secondo Semestre |
| Tipo insegnamento | |
| Tipo attività | Attività formativa monodisciplinare |
| Lingua insegnamento | Italiano |
| Contenuti | Introduzione sui sensori. Sensori termici (e sensori tandem basati su sensori termici), meccanici, magnetici, rivelatori di radiazione ed esempi di microsistemi. Progetti di laboratorio sull’interfacciamento a microcontrollore di diversi sensori a diversi sistemi wireless (WiFi, LoRaWAN) e per collegamento a piattaforme in cloud. |
| Testi di riferimento | Dispense a cura del docente. Meijer ed.-Smart Sensor Systems, John Wiley and Sons, 2008. J.W. Gardner, Microsensors - Principles and Applications, Wiley (1994 e seguenti). ISBN 0-471-94135-2. John G. Webster (editor), “Medical Instrumentation, Application and Design”, Houghton Mifflin Company, U.S.A. 1992, ISBN 0-395-59492-8. Harry N. Norton, Handbook of transducers, Prentice Hall, 1989. S.M. Sze, Semiconductor Sensors, Wiley 1994. C. Doukas, “Building the Internet of Things with the Arduino”, Amazon Distribution GmbH, 2012, Leipzig. |
| Obiettivi formativi | Conoscenze metodologiche: Conoscenza di base dei principi teorici di funzionamento dei più comuni tipi di sensori e rivelatori e di sistemi Micro-Elettro-Meccanici (MEMS). Capacità professionali: comprensione del foglio di dati (data sheet) e applicazioni pratiche di alcuni comuni tipi di sensori e rivelatori presenti in commercio. Capacità di progettazione di sistemi di acquisizione che includano un sensore interfacciato a un microcontrollore, a sua volta collegato in rete a internet. Uso degli strumenti cognitivi di base acquisiti in questo insegnamento per l'aggiornamento continuo delle proprie conoscenze nel campo dei sensori e rivelatori. |
| Prerequisiti | L’insegnamento non ha propedeuticità dichiarate. Utilizza diversi concetti della Fisica ma li introduce dalle basi: trasmissione del calore nei solidi e nei fluidi, irraggiamento elettromagnetico, equazione di Clausius-Clapeyron, elasticità dei materiali, piezoresistività, proprietà magnetiche dei materiali (opzionalmente piezoelettricità). Si utilizzano inoltre concetti ed equazioni ben note della fisica dei semiconduttori. L'attività di laboratorio si basa sulle conoscenze del sistema operativo real time Mbed OS acquisite negli insegnamenti della laurea triennale in Ingegneria Informatica ed Elettronica di Perugia. |
| Metodi didattici | L’insegnamento è organizzato come segue: - lezioni frontali in aula su tutti gli argomenti dell’insegnamento; - Esercitazioni di laboratorio presso il Laboratorio Multidisciplinare a frequenza obbligatoria sulla programmazione di schede di prototipazione NUCLEO basate su ARM Cortex M4. L’ambiente di programmazione, completamente gratuito, comprende i) C++ e ARM mbed OS attraverso mbed CLI; ii) Microsoft Visual Studio Code; iii) Segger Ozone. Le schede verranno collegate a diversi tipi di sensori e verranno collegate su diverse reti wireless per simulare un nodo IoT e quindi interagire con un data base in cloud. In ogni esercitazione gli studenti vengono distribuiti in gruppi su postazioni di lavoro dotate di computer e di strumenti da laboratorio. Gli studenti seguiranno circa 7 laboratori di 2 ore ciascuno. I laboratori verranno conclusi da una relazione di gruppo: a ciascun team verrà richiesto di preparare in classe una relazione descrittiva del lavoro svolto, sia in forma di testo che grafica. Per considerare concluso positivamente il lavoro di laboratorio ai fini dell’esame, ciascuno studente deve aver prodotto almeno il 75% delle relazioni di gruppo di laboratorio. Al termine delle esercitazioni guidate di laboratorio gli studenti potranno accordarsi con il docente per accedere al laboratorio per ulteriori esercitazioni individuali. |
| Altre informazioni | Non sono previste altre informazioni. |
| Modalità di verifica dell'apprendimento | La valutazione della prova d'esame è basata: 1) sul giudizio on/off dell’attività di laboratorio di gruppo in presenza e 2) su una prova orale individuale. La prova orale è basata sugli argomenti teorici trattati a lezione. Sono considerati fondamentali gli aspetti metodologici dell'insegnamento, incluse le (esigue) dimostrazioni matematiche fornite. Nel caso di impossibilità di frequentare le ore di laboratorio, lo studente dovrà svolgere una “tesina” sperimentale sugli argomenti delle ore di laboratorio (Mbed OS e sensori), che verrà discussa durante la prova orale. |
| Programma esteso | (0.5 CFU) Introduzione sui sensori. Classificazione in 6 domini energetici. Parametri dei sensori. Materiali per sensori.(4.5 CFU) Sensori, rivelatori ed esempi di microsistemi. Sensori termici: concetto di resistenza termica, RTD, termistore, effetti termoelettrici (Seebeck, Peltier), termocoppie, termopile. Sensori termici integrati (PTAT). Esempi di microsistemi basati su sensori termici: sensori di portata, sensori di vuoto, sensori di radiazione infrarossa basati su termopile (pirometri). Cenni sui bolometri. Sensori di umidità relativa (RH). Sensori meccanici: strain gauges e definizione di gauge factor, sensori di pressione accelerometri piezoresistivi, sensori capacitivi (e relativi circuiti di misura). Sensori magnetici: sensori a effetto Hall, magnetoresistori. Principi operativi dei sensori di radiazione a stato solido. Active Pixel Sensors (APS). Sensori di radiazione infrarossa a stato solido (e necessità di raffreddamento). (1 CFU) Laboratorio di Sensori & IoT: Sensori in ambiente di cloud computing. Sensori analogici e conversione analogico-digitale. Interfacce di comunicazione di base e relativi protocolli per sistemi embedded (UART, SPI, I2C). Moduli per la comunicazione wireless basati su WiFi e LoRaWAN. Comunicazione con un nodo in cloud basato sull’applicativo Node-RED. |