For this thesis, smart spraying robot was designed, constructed and tested to validate the concept of smart pest control. Electrostatic charging of sprayed pesticide was realized in a spray nozzle design that improved plant coverage and reduced wasted pesticide as well as soil pollution. A thorough investigation into electrostatic spraying was conducted, which was accompanied by extensive simulations and experimentation. The results obtained from the simulation experimentation on industry standard electrostatic spray system (ESS) nozzles along with laboratory testing of these nozzles, detecting spray coverage using water sensitive paper and additional optical spray visualization methods gave the necessary insight and experience required to develop a new spray nozzle. Additional COMSOL simulation and experimentation were carried out on a Fan Hydraulic Spray Nozzle (FHSN), the results of which allowed for the effective addition of electrostatic induction capabilities, thereby transforming the (FHSN) into Electrostatic Induction Spray Nozzle (EISN) which is one of the prime parts of the smart spraying system. SOLIDWORKS software was used in the designing parts of this nozzle which were then manufactured using a 3D printer. An AL05D robotic manipulator and a TTRK tracked platform from Lynxmotion ™ were the mini mobile robot components selected for the feasibility study of the smart electrostatic crop spraying system. This mobile robot was equipped with a CCD digital camera, a range detector, and path mark detector to provide the necessary sensors required by the smart electrostatic spray system. A Windows™ based mobile computer in addition to an ARDUINO™ based orksmicrocontroller system were chosen to provide the computational power required by the system. These were arranged in a master – slave configuration, with the main processing for images and motion being conducted inside the master computer using programs created by Matlab smart ™ software. The execution of motion commands and the operation of the range and path mark detection along with operating the spray nozzle were performed on the slave computer using C as the programming language. The manufactured smart electrostatic spray system moves along cotton crop rows with a camera that scans the selected plant for pest infestation on the upper and lower surfaces of plant leaves. When a pest is detected, the spray nozzle is targeted on it at the appropriate distance, and a burst of pesticide destroys it. The results of experiments have shown that using the electrostatic induction system improves coverage 3 to 4 fold and reduces soil contamination by 2 to 4 fold. The system has plenty of room for performance improvement, and future development will make it adaptable for application to other crops and applications.

Orientador: Prof. Dr. Marcelo Bender Perotoni / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, 2017. / Este trabalho consiste na exploração dos problemas e aplicações eletromagnéticas na área de conexão da eletrônica em altas taxas de velocidade de dados. Referências bibliográficas como as equações de Maxwell e suas derivações, técnicas de implementação de conectividades, simplificações como: linhas (striplines), microlinhas (microstrip), placas de circuito impresso empilhadas (stackup) serão abordadas. Também são encontradas bases teóricas como aterramento (grounding) e blindagem (shielding), para aplicações com cabos do tipo coaxial e pares de dados. Os efeitos estudados são reflexão e acoplamentos (crosstalk). Há uma comparação dos resultados em um sistema exemplo com cabo de rede ethernet e conectores para acoplamento e medição, entre simulações computacionais (CST ¿ Computer Simulation Technology , mais exatamente no módulo MWS ¿ Micro Wave Studio), e medições com um VNA (Vector Network Analyzer). / This study covers the electromagnetic evaluation and applications on electronic connections area at high speed data rates. References to Maxwell equations and its derivations concerning high frequency effects, connectivity implementation techniques and simplifications like: striplines, microstrip, stackup of PCBs layers are addressed. Theoretical bases are laid, to applications with coax cables and twisted pairs and their respective grounding and shielding. The effects studied are reflection and crosstalk. There are results for an example - a launcher and Ethernet cable with the connector. The results are shown in simulation (CST, module MWS ¿ Micro Wave Studio), and measurements using a VNA (Vector Network Analyzer).

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Thesis was developed as a model specification for a design of historical simulation applied in formal education. The text is divided into two main parts: The theoretical part summarizes findings about the role of new media in e-learning and its potential enrichment for gamification elements. Also mentions computer game as a research subject and points to the game mechanics that can be used in formal education to a successful application DGBL - Digital Game-Based Learning in this process. Practical part presents case study of a model specification that is based on the real project: 'Stories from the History of Czechoslovakia: Research and experimental development of software simulations to teach the history of the Czech lands in the 20th Century", solved by Faculty of Arts and Facility of Mathematics and Physics of Charles University and Institute of Contemporary History of Academy of Sciences of Czech Republic in Prague in 2011- 2014. In this section are addressed by specific examples of model applications of gamification elements with a view to achieving the educational goals of teaching simulation.

[ES] La cápsula inalámbrica de endoscopia (WCE) es una tecnología notable y atractiva adoptada en el sector biomédico hace varios años. WCE proporciona una tecnología de imagen inalámbrica no invasiva que permite a los especialistas reconocer y diagnosticar enfermedades que afectan todo el tracto gastrointestinal. Aunque los médicos pueden recibir imágenes claras de anomalías en el tracto gastrointestinal, no tienen información sobre sus exacta ubicación. La localización precisa de los trastornos detectados es crucial para el posterior procedimiento de extracción mediante cirugía. Actualmente, la banda de frecuencia asignada para aplicaciones de cápsula endoscópica es la banda MICS (402-405 MHz) que ofrece una velocidad de datos de hasta 500 kbps, insuciente para transmitir imágenes de alta calidad. Recientemente, la tecnología de banda ultra ancha (UWB) ha estado atrayendo atención como posible candidato para la próxima generación de cápsula endoscópica. Las ventajas de UWB incluyen arquitecturas de transceptor simples que permiten bajo consumo de potencia, baja interferencia a otros sistemas y amplio ancho de banda que resulta en comunicaciones a una velocidad de datos más alta. En esta disertación, el rendimiento de las técnicas de localización de WCE basadas en radiofrecuencia (RF) se investiga a través de simulaciones software, medidas experimentales de laboratorio que involucran fantomas homogéneos y heterogéneos y a través de experimentos in vivo que constituyen el escenario de prueba más realista. La tecnología UWB (3.1-10.6 GHz) se considera como interfaz de comunicación para aplicaciones de cápsula endoscópica. En tal escenario, el transmisor inalámbrico está ubicado en el tracto gastrointestinal, mientras que uno o más receptores inalámbricos están ubicados sobre la supercie del cuerpo. El enfoque basado en la potencia recibida (RSS) se investiga principalmente debido a su simplicidad de implementación y menos sensibilidad a las limitaciones de ancho de banda. Se analiza el impacto de la posición y del número de receptores seleccionados en la precisión de la localización. Finalmente, se desarrolla una interfaz gráfica de usuario (GUI) para visualizar los resultados de la localización en tres dimensiones (3D) obtenidos mediante las medidas in vivo. / [CA] La càpsula sense fil d'endoscòpia (WCE) és una tecnologia notable i atractiva adoptada en el sector biomèdic fa diversos anys. La WCE proporciona una tecnologia d'imatge sense fil no invasiva que permet als especialistes reconéixer i diagnosticar malalties que afecten tot el tracte gastrointestinal. Encara que els metges poden rebre imatges clares d'anomalies en el tracte gastrointestinal, no tenen informació sobre les seues exacta ubicació. La localització precisa dels trastorns detectats és crucial per al posterior procediment d'extracció mitjançant cirurgia. Actualment, la banda de freqüència assignada per a aplicacions de càpsula endoscòpica és la banda MICS (402-405 MHz) que ofereix una velocitat de dades de fins a 500 kbps, insucient per a transmetre imatges d'alta qualitat. Recentment, la tecnologia de banda ultra ampla (UWB) ha estat atraient atenció com a possible candidata per a la pròxima generació de càpsula endoscòpica. Els avantatges d' UWB inclouen arquitectures de transceptor simples que permeten un baix consum de potència, baixa interferència amb altres sistemes i una gran amplada de banda que resulta en comunicacions a una velocitat de dades més alta. En aquesta dissertació, el rendiment de les tècniques de localització de WCE basades en radiofrequència (RF) s'investiga a través de simulacions amb programari, mesures experimentals de laboratori que involucren fantomes homogenis i heterogenis i a través d'experiments in vivo que constitueixen l'escenari de prova més realista. La tecnologia UWB (3.1-10.6 GHz) es considera com a interfície de comunicació per a aplicacions de càpsula endoscòpica. En tal escenari, el transmissor sense fil està situat en el tracte gastrointestinal, mentre que un o més receptors sense fils estan situats sobre la superfície del cos. L'enfocament basat en la potència rebuda (RSS) s'investiga principalment a causa de la seua simplicitat d'implementació i menys sensibilitat a les limitacions d'amplada de banda. S'analitza l'impacte de la posició i del numere de receptors seleccionats en la precisió de la localització. Finalment, es desenvolupa una interfície gràca d'usuari (GUI) per a visualitzar els resultats de la localització en tres dimensions (3D) obtinguts mitjançant les mesures in vivo. / [EN] Wireless Capsule Endoscopy (WCE) is a remarkable and attractive technology adopted in the biomedical sector several years ago. It provides a non-invasive wireless imaging technology for the entire gastrointestinal (GI) tract. WCE allows specialists to recognize and diagnose diseases affecting the whole GI tract. Although physicians can receive clear pictures of abnormalities in the GI tract, they have no information about their exact location. Precise localization of the detected disorders is crucial for the subsequent removal procedure by surgery. Currently, the frequency band allocated for capsule endoscopy applications is the MICS band (402-405 MHz). This band offers data rate up to 500 kbps, which is insufficient to transmit high quality images. Recently, Ultrawideband (UWB) technology has been attracting attention as potential candidate for next-generation WCE systems. The advantages of UWB include simple transceiver architectures enabling low power consumption, low interference to other systems and wide bandwidth resulting in communications at higher data rate. In this dissertation, performance of WCE localization techniques based on Radio Frequency (RF) information are investigated through software simulations, experimental laboratory measurements involving homogeneous and heterogeneous phantom models and in vivo experiments which constitute the most realistic testing scenario. Ultra-Wideband technology (3.1-10.6 GHz) is considered as communication interface in Wireless Capsule Endoscopy. In such scenario, the wireless transmitter is located in the gastrointestinal track while one or more wireless receivers are located over the surface of the body. Received Signal Strength (RSS)-based approach is mainly explored due to its implementation simplicity and less sensitivity to bandwidth limitations. Impact of the position and the number of selected receivers on the localization accuracy is analyzed. Finally, a graphical user interface (GUI) is developed to visualize the three-dimensional (3D) localization results obtained through in vivo measurements. / Barbi, M. (2019). Location and Tracking for Ultra-WideBand In-Body Communications in Medical Applications [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/132874

[ES] La población mundial en países desarrollados está envejeciendo y con ello existe un aumento de enfermedades en gran medida causadas por la edad. Las nuevas tecnologías médicas pueden ayudar a detectar, diagnosticar y tratar estas enfermedades y con ello ahorrar dinero, tiempo y recursos de los sistemas sanitarios. Las tecnologías inalámbricas implantables han abierto un nuevo panorama para la próxima generación de tecnologías médicas. Frecuencias como la Ultra Wide-Band (UWB) de 3.1 a 10.6 GHz están siendo consideradas para la nueva generación de dispositivos inalámbricos para dentro del cuerpo humano. Las características como el reducido tamaño de las antenas, la baja potencia de transmisión y la alta velocidad de datos son las más buscadas en este tipo de dispositivos. El problema surge porque el cuerpo humano depende de la frecuencia de modo que a mayores frecuencias, mayores son las pérdidas por propagación. Conociendo el canal de transmisión se puede solventar el problema de las altas pérdidas. Esta tesis tiene como objetivo caracterizar el canal de radio frecuencia (RF) para la nueva generación de dispositivos médicos implantables. Para caracterizar el canal se han empleado tres diferentes metodologías: simulaciones numéricas, medidas en phantom y experimentos en animales vivos. Las medidas en phantom fueron realizadas en un nuevo sistema de medidas expresamente disen¿ados para medidas de dentro a fuera del cuerpo humano en la banda de frecuencias UWB. Además, se utilizó un novedoso recipiente con dos capas de phantom imitando la zona gastrointestinal del cuerpo. Estos phantoms fueron creados para este tipo de medidas y son extremadamente precisos a las frecuencias UWB. Para los experimentos en animales se utilizaron cerdos y se intentó reproducir en ellos las medidas previamente realizadas en phantom. Las simulaciones software se realizaron con la intención de replicar ambas metodologías. Una vez realizados los experimentos se realizó un extensivo estudio del canal en dominio frecuencial y temporal. Mas en detalle, se compararon las antenas usadas en la recepción y transmisión, el efecto de la grasa en el canal, la formas del recipiente contenedor de phantom y las componentesmulticamino. Como resultado se ha propuesto un modelo de propagación del canal para la banda baja de las frecuencias UWB (3.1 -5.1 GHz) para la zona gastrointestinal del cuerpo humano. Este modelo de propagación ha sido validado utilizando las tres metodologías previamente descritas y comparada con otros estudios existentes en literatura. Finalmente, se midió el canal de propagación para una determinada aplicación a bajas frecuencias con señales UWB. También se realizaron medidas del canal de propagación en la zona cardíaca del cuerpo humano desde un punto de vista de seguridad de datos. Los resultados obtenidos en esta tesis confirman los beneficios que tendría la utilización de frecuencias UWB para las futuras generaciones de dispositivos médicos implantables. / [CA] La població mundial a països desenvolupats està envellint-se i enfrontant-se a un augment d'infermetats principalment causades per la edat. Les noves tecnologies mèdiques poden ajudar a detectar, diagnosticar i tractar aquestes malalties, estalviant diners, temps i recursos sanitaris. Els dispositius implantables sense fils han generat un nou panorama per a les noves generacions de dispositius mèdics. Les freqüències com la banda de UWB estan sent considerades per a les futures tecnologies implantables. La reduïda grandària de les antenes, la baixa potència de transmissió i les altes velocitats de dades son característiques buscades per als dispositius implantables. Per contra, els éssers humans depenen de la freqüència en el sentit que a majors freqüències, majors les pèrdues per propagació quan el senyal travessa el cos humà d'interior a exterior. Per solventar aquestes pèrdues el canal de propagació s'ha d'entendre i conèixer de la millor manera possible. Aquesta tesi doctoral te com a objectiu caracteritzar el canal de radio freqüència (RF) per a la nova generació de dispositius mèdics implantables. S'han emprat tres metodologies diferents per a realitzar aquesta caracterització: simulacions software, mesures amb fantomes i experiments amb animals vius. Els experiments amb fantomes es van realitzar a un sistema de mesures dissenyat expressament per a les transmissions de dins a fora del cos humà a les freqüències UWB. També es van utilitzar un contenidor per als fantomes de dues capes, imitant l'area gastrointestinal dels humans. Per als experiments a animals es van emprar porcs, replicant els experiments al laboratori en fantomes de la forma més semblant possible. Les simulacions software foren dissenyades per a imitar les experiments amb fantomes i animals. Després dels experiments el canal de propagació es va investigar exhaustivament des del domini freqüèncial i temporal. S'ha observat com les antenes en transmissió i recepció afecten al senyal, la influència de la grassa, la forma del contenidor de fantoma i les possibles contribucions multicamí. Finalment es proposa un nou model de propagació per a les baixes freqüències UWB (3.1 a 5.1 GHz) per a la zona GI del cos humà. El model es va validar utilitzant les tres metodologies abans esmentades i també foren comparades amb model ja existents a la literature. Finalment des d'un punt de vista aplicat, el canal es va avaluar per al senyal UWB a baixes freqüències (60 MHz). A més a més, per a la nova generació de marcapassos sense fil es va investigar el canal des d'un punt de vista de seguretat de dades. Els resultats obtinguts a aquesta tesi confirmen els avantatges d'emprar la banda de freqüències UWB per a la nova generació de dispositius médics implantables. / [EN] The current global population in developed countries is becoming older and facing an increase in diseases mainly caused by age. New medical technologies can help to detect, diagnose and treat illness, saving money, time, and resources of physicians. Wireless in-body devices opened a new scenario for the next generation of medical devices. Frequencies like the Ultra Wide-band (UWB) frequency band (3.1 - 10.6 GHz) are being considered for the next generation of in-body wireless devices. The small size of the antennas, the low power transmission, and the higher data rate are desirable characteristics for in-body devices. However, the human body is frequency ependent, which means higher losses of the radio frequency (RF) signal from in- to out-side the body as the frequency increases. To overcome this, the propagation channel has to be understood and known as much possible to process the signal accordingly. This dissertation aims to characterize the (RF) channel for the future of in-body medical devices. Three different methodologies have been used to characterize the channel: numerical simulations, phantom measurements, and living animals experiments. The phantom measurements were performed in a novel testbed designed for the purpose of in-body measurements at the UWB frequency band. Moreover, multi-layer high accurate phantoms mimicking the gastrointesintal (GI) area were employed. The animal experiments were conducted in living pigs, replicating in the fairest way as possible the phantom measurement campaigns. Lastly, the software simulations were designed to replicate the experimental measurements. An in-depth and detail analysis of the channel was performed in both, frequency and time domain. Concretely, the performance of the receiving and transmitting antennas, the effect of the fat, the shape of the phantom container, and the multipath components were evaluated. Finally, a novel path loss model was obtained for the low UWB frequency band (3.1 - 5.1 GHz) at GI scenarios. The model was validated using the three methodologies and compared with previous models in literature. Finally, from a practical case point of view, the channel was also evaluated for UWB signals at lower frequencies (60 MHz) for the GI area. In addition, for the next generation of leadless pacemakers the security link between the heart and an external device was also evaluated. The results obtained in this dissertation reaffirm the benefits of using the UWB frequency band for the next generation of wireless in-body medical devices. / Pérez Simbor, S. (2019). In-body to On-body Experimental UWB Channel Characterization for the Human Gastrointestinal Area [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/133034