Design of a Marine Wireless Sensor Network for Seawater Quality Monitoring

A solid investigation of all the building blocks of a versatile Wireless Sensor Network for seawater monitoring applications is presented in this thesis. The discussed framework, based on buoys for real-time monitoring of seawater, is intended to be an extension of the classical CTD probes, used for measuring the water conductivity, temperature and depth, and usually equipped with additional instrumentation for measuring the chlorophyll-a concentration and water turbidity. This additional instrumentation is usually very expensive and thus de facto has prevented the realization of a wide network of measuring unit. Starting from this assumption and in line with the Italian regulations in this area, the author proposes a new cheap module for in-vivo detection of chlorophyll-a. The implementation the aforementioned sensor also requested the implementation of a novel circuit design technique, used to give a full symbolical representation of the circuit, which is then numerically simulated for millions of different combinations of the design parameters in a small time. The computation of a figure of merit thus leads to choose the most appropriate combination of adopted passive components. The author also present two novel techniques: the first for power consumption characterization of WSN modules, which are usually subjected to high dynamic current variations and the second for the characterization of thermoelectric modules that are intended to be used to provide energy self-sufficiency in cogeneration with solar panel.

In questa tesi viene presentata una profonda analisi di tutti i blocchi costituenti una versatile rete marina di sensori (WSN). Il framework discusso, incentrato sull’utilizzo di boe sensore per il monitoraggio in tempo reale della qualità dell’acqua marina, è stato pensato come estensione delle classiche sonde CTD, usate per la misura della conducibilità, della temperatura e della profondità dell’acqua marina. Queste vengono poi tipicamente equipaggiate con strumentazione addizionale per la misura della concentrazione di clorofilla-a e torbidità dell’acqua. Tuttavia questa strumentazione addizionale è di solito molto costosa e perciò ha di fatto impedito la realizzazione di un’ampia rete di unità di misura. A patire perciò da questa considerazione e tenendo presente le normative italiane in questo ambito, l’autore propone un nuovo ed economico modulo elettronico per il rilevamento in-vivo della clorofilla-a microalgale. L’implementazione di tale sensore ha richiesto inoltre l’implementazione di una innovativa tecnica di progettazione di circuiti integrati, usata per derivare una completa rappresentazione simbolica del circuito e successivamente per simulare milioni di combinazioni dei parametri circuitali in un tempo esiguo. Il calcolo di una adeguata figura di merito permette quindi di selezionare la più appropriata combinazione di componenti passivi. L’autore presenta inoltre due innovative tecniche prodotte: la prima per la caratterizzazione dei consumi energetici dei moduli di una WSN, tipicamente soggetti ad elevate variazioni dinamiche di corrente, e la seconda per una completa caratterizzazione dei moduli termoelettrici usati per fornire autonomia energetica, in cogenerazione con i pannelli solari, alle boe.