POLITesi - Archivio digitale delle tesi di laurea e di dottorato (Politecnico di Milano)
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Effect of additional protections on corrosion propagation in reinforced concrete
No full textLAUREA MAGISTRALELa durabilità delle strutture in calcestruzzo armato è fortemente influenzata dalla corrosione delle armature in acciaio, in particolare in ambienti che favoriscono la corrosione indotta dalla carbonatazione e dai cloruri. Questa tesi esamina l’efficacia di diversi trattamenti superficiali—tra cui rivestimenti hydrophobic, cementitious e paint—nel mitigare la propagazione della corrosione nelle barre di armatura.The durability of reinforced concrete structures is strongly influenced by the corrosion of embedded steel reinforcement, particularly in environments that promote carbonation- and chloride-induced corrosion. This thesis examines the effectiveness of various surface treatments—including hydrophobic, cementitious, and paint-based coatings—in mitigating the propagation of corrosion in reinforcing bars. To evaluate their performance, laboratory experiments were conducted on several series of reinforced carbonated concrete specimens, also artificially cracked and chloride-contaminated specimens. The specimens were subjected to accelerated cycles and atmospheric exposure. Key electrochemical parameters such as corrosion potential, electrical resistivity, and corrosion rate were regularly measured over time. Corrosion penetration and service life were also estimated for carbonated samples. The overall objective was to compare the protective performance of different coating systems and to evaluate their effectiveness in controlling the mechanisms. The results demonstrate that appropriate surface treatments can significantly reduce the propagation of corrosion and extend the service life of reinforced concrete structures, emphasizing the importance of proper protection strategies in durability design
Marker-based AR integration in discrete architectural design and fabrication
No full textLAUREA MAGISTRALEQuesta tesi esplora l’integrazione tra il design architettonico discreto e la Realtà Aumentata (AR) basata su marker, con l’obiettivo di migliorare i flussi di lavoro nella costruzione modulare. I metodi di costruzione tradizionali spesso presentano inefficienze, sprechi di materiale e difficoltà di coordinamento, specialmente in presenza di geometrie complesse. In risposta a queste criticità, è stato sviluppato un sistema composto da 21 moduli interconnessi, progettati tramite Rhino, Grasshopper e il plugin Monoceros, ognuno definito da regole specifiche di connessione per generare configurazioni spaziali basate su regole. Per colmare il divario tra logica digitale e assemblaggio fisico, è stata sviluppata un’applicazione AR personalizzata in Unity, utilizzando AR Foundation e ARCore per Android. L’app consente la visualizzazione in tempo reale, la rotazione interattiva e l’allineamento spaziale dei moduli prefabbricati in legno, ciascuno collegato a un marker stampato univoco. Il flusso di lavoro—dal modello digitale alla fabbricazione assistita in AR è stato validato attraverso la stampa 3D in scala ridotta e la prototipazione in legno a scala reale. I risultati dimostrano come l’uso della AR possa ridurre gli errori in fase di assemblaggio, migliorare la comprensione da parte dell’utente e supportare pratiche costruttive più flessibili e sostenibili. Combinando il design computazionale con strumenti AR interattivi, questa ricerca propone un approccio efficace per sistemi edilizi più adattabili ed efficienti nell’architettura contemporanea.This thesis explores the integration of discrete architectural design with marker-based Augmented Reality (AR) to enhance modular construction workflows. Traditional construction methods often struggle with inefficiencies, material waste, and coordination challenges, especially when dealing with complex geometries. In response, a system of 21 interlocking modular units was developed using Rhino, Grasshopper, and the Monoceros plugin, each defined by specific connection rules to generate rule-based spatial configurations. To bridge the gap between digital logic and physical assembly, a custom AR application was developed in Unity using AR Foundation and ARCore for Android. This app enables real-time visualization, interactive rotation, and spatial alignment of prefabricated timber modules, each linked to a unique printed marker. The workflow from digital modeling to AR-guided fabrication was validated through small-scale 3D printing and full-scale timber prototyping. The result demonstrates how AR can reduce assembly errors, enhance user understanding, and support flexible, sustainable construction. By combining computational design with interactive AR tools, this research proposes a viable pathway toward more adaptable and efficient building systems in contemporary architecture
Precise emission wavelength adjustment in lead halide perovskites using a gas-solid phase reaction with Parylene-C
Full text linkLAUREA MAGISTRALEQuesta tesi esplora la precisa regolazione della lunghezza d’onda di emissione nei perovskiti alogenuri di piombo (LHP) mediante una reazione in fase solido-gas facilitata da parylene-C. I nanocristalli (NC) di perovskite alogenuri di piombo sono messi in evidenza per le loro eccezionali proprietà fotoluminescenti e per le potenziali applicazioni in optoelettronica, tra cui LED, fotodetettori e laser. Il lavoro si propone di ottenere uno spostamento controllato dall’emissione verde a quella blu attraverso un innovativo processo di scambio ionico in fase solido-gas durante la deposizione del parylene.
I risultati chiave includono l’identificazione delle limitazioni dovute alla diffusione e le relative soluzioni, nonché lo sviluppo di un modello numerico predittivo per ottimizzare il processo di scambio ionico. La ricerca dimostra significativi progressi nella stabilità e nell’efficienza dei NC LHP a emissione blu, aprendo la strada a una loro più ampia applicazione in dispositivi optoelettronici ad alte prestazioni e basso costo.This thesis explores the precise emission wavelength adjustment in lead halide perovskites (LHPs) using a gas-solid phase reaction facilitated by parylene-C. Lead halide perovskite nanocrystals (NCs) are highlighted for their exceptional photoluminescent properties and potential applications in optoelectronics, including LEDs, photodetectors, and lasers. The work aims to achieve a controlled shift from green to blue emission through a novel solid-gas-phase ion-exchange process during parylene deposition.
Key findings include the identification of diffusion limitations and their solutions, as well as the development of a numerical prediction model to optimize the ion exchange process. The research demonstrates significant advancements in the stability and efficiency of blue-emitting LHP NCs, paving the way for their broader application in cost-effective, high-performance optoelectronic devices
Dynamic modeling and seismo-acoustic structure interaction analysis for aerobot exploration on Venus
No full textLAUREA MAGISTRALELe piattaforme aeree stanno emergendo come soluzioni promettenti per l’esplorazione planetaria, in particolare in ambienti ostili ed estremi come quello di Venere. Il pallone aerostatico robotico venusiano (Aerobot), che opera negli strati superiori dell’atmosfera del pianeta, rappresenta un’interessante alternativa ai lander tradizionali per missioni scientifiche di lunga durata, grazie ai vantaggi in termini di costi, massa e consumo energetico. Un aspetto di particolare interesse è la possibilità di utilizzare tali piattaforme per il rilevamento di attività sismica catturando le onde infrasoniche provenienti dalla superficie, al fine di di investigare la composizione interna del pianeta. La questione centrale riguarda la fattibilità di rilevare queste onde sfruttando la dinamica del pallone stesso e, in tal caso, definire la tipologia e il posizionamento ottimale dei sensori da utilizzare. Questa tesi contribuisce allo sviluppo di tali future missioni proponendo un framework di simulazione completo per modellare il comportamento dinamico dell’aerobot e la sua interazione acustico-strutturale con le onde acustiche di origine sismica. A tal fine, è stato realizzato in ambiente MATLAB un simulatore modulare e di facile utilizzo, che consente la modellazione dettagliata dell'aerobot tramite metodo agli elementi finiti che supporta diverse configurazioni strutturali. La risposta dinamica del sistema è stata validata attraverso dati sperimentali, mostrando un’elevata coerenza e confermando l’accuratezza del modello. Parallelamente, la tesi introduce anche un framework numerico per la modellazione dell’interazione acustico-strutturale, basato sull’accoppiamento tra il modello FEM strutturale e una simulazione del campo acustico ottenuta tramite il metodo degli elementi al contorno (BEM). La validità di tale accoppiamento FEM–BEM è confermata da una validazione sperimentale. Infine, gli strumenti sviluppati sono impiegati per analizzare il posizionamento ottimale dei sensori sulla superficie del pallone al fine di massimizzare la sensibilità ai campi di pressione generate dai segnali sismici. I risultati ottenuti offrono indicazioni significative per future missioni su Venere e contribuiscono al più ampio campo della sismologia planetaria mediante piattaforme aeree.Aerial platforms are emerging as promising solutions for planetary exploration, especially in a harsh and extreme environment such as that of Venus. The Venus Aerial Robotic Balloon (Aerobot), operating in the planet's upper atmosphere, represents an attractive alternative to traditional landers for long-duration scientific missions in terms of cost, mass, and energy consumption. An exciting aspect is the potential use of such platforms to detect seismic activity by capturing infrasonic waves propagating from the surface, to investigate the planet's internal composition. The central question is whether it is feasible to detect seismic-induced infrasonic waves using the balloon structure itself, and, if so, which types of sensors should be employed and where they should be optimally placed on the balloon. This thesis contributes to the development of such missions by proposing a comprehensive simulation framework for modeling the Aerobot’s dynamic behavior and its acoustic–structure interaction (ASI) with seismic infrasound. To this end, an hybrid Abaqus-MATLAB modular and user-friendly simulator is implemented, with detailed finite element modeling (FEM) of the Aerobot across multiple configurations. The system's dynamic response is validated against experimental data, demonstrating strong agreement and confirming the model’s accuracy. In parallel, the thesis introduces an acoustic–structure interaction (ASI) framework to study the coupling between infrasonic waves and the Aerobot’s structural dynamics through a coupled numerical approach that integrates the FEM-based structural model with Boundary Element Method (BEM) simulations of the acoustic field. The reliability of this FEM–BEM coupling is supported by experimental validation. Finally, the developed tools analyze optimal sensor placement on the balloon surface to maximize sensitivity to seismic-induced pressure fields. These results offer important insights for future Venus missions and contribute to the broader field of planetary seismology using aerial platforms
From delays to dynamics: multi-state modeling in suburban rail transport
No full textLAUREA MAGISTRALEI ritardi dei treni reppresentano una problematica ricorrente nei sistemi ferroviari, in particolare in quelli suburbani dove la complessità operativa è accentuata dall'elevata frequenza dei servizi e dall'intensità dei flussi di passeggeri. I modelli tradizionali spesso non riescono a cogliere appieno la dimensione temporale e la dinamica strutturale della propagazione dei ritardi reali.
Questa tesi utilizza modelli multistato in tempo continuo per analizzare l'evoluzione dei ritardi sulla linea suburbana S5 in Lombardia, Italia. Grazie a un ampio insieme di dati operativi, meteorologici e contestuali, vengono modellate le transizioni tra diversi stati di ritardo, tenendo conto sia delle eterogeneità osservabili che di quelle latenti.
I risultati evidenziano come la dinamica dei ritardi vari in base alla direzione di viaggio, alla fascia oraria e al segmento di linea. Variabili come la saturazione delle stazioni e il carico di passeggeri influenzano significativamente il rischio di peggioramento o recupero del ritardo. Il lavoro fornisce contributi sia metodologici sia pratici, utili al miglioramento dell'affidabilità del servizio ferroviario.Train delays are a persistent issue in railway systems, particularly in suburban networks where operational complexity is heightened by frequent services and high passenger volumes. Traditional delay models often overlook the temporal and structural dynamics of real-world delay propagation.
This thesis applies continuous-time multi-state models to analyze delay evolution on the S5 suburban line in Lombardy, Italy. Using detailed operational, meteorological, and contextual data, the study models delay transitions while accounting for both observable and latent heterogeneity.
The findings reveal how delay dynamics vary by travel direction, time slot, and route segment. Covariates such as station saturation and passenger load are shown to significantly affect the risk of delay escalation or recovery. The study offers both methodological advancements and practical results for improving the reliability of rail services
Proof of concept design and development of a multi-wavelength photoplethysmographic system for physiological monitoring and respiratory rate estimation
Full text linkLAUREA MAGISTRALELa frequenza respiratoria (RR) è un parametro vitale essenziale, sensibile a molteplici condizioni patologiche e stressori fisiologici. Nonostante la sua rilevanza clinica, è ancora poco monitorata in ambito domiciliare. La pandemia di COVID-19 ha rafforzato l’interesse verso soluzioni di monitoraggio remoto, evidenziando il divario tra la ricerca e l’offerta commerciale. La misurazione convenzionale avviene tramite osservazione diretta o tecniche come la spirometria o la pletismografia, poco adatte all’uso quotidiano. Questa tesi propone un dispositivo indossabile e non invasivo per il monitoraggio continuo della frequenza respiratoria e di altri parametri fisiologici. Il sistema si basa su una fotopletismografia a più lunghezze d'onda, dal visibile al vicino infrarosso (NIR), con configurazione modulabile dei LED. L’acquisizione dati è articolata in due protocolli: uno per frequenza cardiaca, SpO\textsubscript{2} e parametri di attività (in statica e dinamica), l’altro per la stima della RR in condizioni statiche. I test, condotti su gruppi di nove soggetti, hanno previsto l’uso simultaneo di dispositivi standard come riferimento. L’elaborazione tramite il toolbox RRest (MATLAB), sviluppato da Peter Charlton, ha permesso il confronto di diversi algoritmi di stima della RR, valutando anche l’efficacia della fusione di lunghezze d’onda. L’algoritmo più performante è quello ricavato dalla fusione finale delle frequenze respiratorie, ottenute da tre varianti, che condividono la stessa tecnica di stima (Count-oring) ma differiscono per la modalità di estrazione delle feature dal segnale PPG. Esso ha presentato un errore assoluto mediano di 2.17 respiri/minuto e un intervallo interquartile (IQR) di 3.48, considerando tutti i soggetti. Quattro metodi di fusione sono stati testati e confrontati, tramite questo algoritmo, con le migliori singole lunghezze d’onda per dito e polso. I risultati mostrano un miglioramento dell’accuratezza nella stima della RR per tutti e quattro i metodi, confermando il potenziale della fotopletismografia multi-lunghezza d’onda per il monitoraggio respiratorio continuo.Respiratory rate (RR) is a vital physiological parameter, sensitive to both pathological conditions and physiological stressors. Despite its clinical importance, RR is still rarely monitored by wearable devices. The COVID-19 pandemic has strengthened the interest in remote monitoring solutions, highlighting the gap between research and commercial devices. Conventional methods—such as direct observation, spirometry, or plethysmography—are not well suited for continuous, real-world monitoring. This thesis presents the design and testing of a wearable, non-invasive device for continuous monitoring of RR and other physiological parameters. The system is based on multi-wavelength photoplethysmography (PPG) ranging from visible to near-infrared (NIR), with a configurable LED setup. Data acquisition was structured into two protocols: one for evaluating the potential of multi-wavelength PPG in estimating RR under static conditions, and the other for testing the device's ability to measure heart rate and activity parameters in both static and dynamic conditions. Data was collected from nine participants per each protocol, using gold-standard reference devices for comparison. A range of previously-published PPG-based RR estimation algorithms was evaluated on the collected data using the RRest Matlab toolbox developed by Peter Charlton et al. In addition, the effectiveness of multi-wavelength ensembling for RR estimation was investigated. Four RR ensembling strategies were tested and compared. The best-performing approach, based on multi-wavelength PPG, achieved a median absolute error of 2.17 breaths per minute and an interquartile range (IQR) of 3.48 breaths per minute on aggregated data. Furthermore, the optimal single wavelengths for RR estimation at the finger and wrist level were identified. These results demonstrate that combining multiple PPG wavelengths could improve RR estimation accuracy, confirming the potential of this approach for more robust, continuous respiratory monitoring
La ricostruzione tridimensionale del Forte di Umm al-Dabadib : un modello tridimensionale per la valorizzazione e la divulgazione del patrimonio archeologico
No full textLAUREA MAGISTRALEIl lavoro di tesi svolto si propone come analisi accurata delle tracce materiali di un manufatto storico, integrando una lettura attenta e rigorosa dell’architettura originaria a supporto di proposte progettuali per la sua conservazione e valorizzazione. La tesi affronta le lacune lasciate sull’oggetto antico dal degrado e dalle trasformazioni del tempo, ricostruendone le possibili forme tramite l’introduzione, ove necessario, di riferimenti esterni, filtrati a seconda delle esigenze e impiegati per lo sviluppo di ipotesi coerenti. L’obiettivo è dimostrare come la modellazione tridimensionale digitale possa andare oltre la pura e semplice rappresentazione visiva, configurandosi come uno strumento fondamentale per la comprensione approfondita dell’architettura stessa. L’elaborazione di materiale tecnico declinato in veste semplificata ha consentito l’avvio di un progetto di divulgazione e di conservazione della memoria del bene. L’applicazione pratica del modello geometrico 3D impiegato come motore di valorizzazione del progetto è stata realizzata sul caso del Forte dell’insediamento di Umm al-Dabadib, testimonianza archeologica Tardo Romana, situata nell’Oasi di Kharga in Egitto.The thesis work carried out is intended as accurate analysis of the material traces of a historical artifact, with the integration of a careful and rigorous reading of the original architecture to support projects for its conservation and enhancement. The thesis addresses the gaps left on the ancient object by degradation and transformations over time, reconstructing its possible forms through the introduction, where necessary, of external references, filtered according to specific needs and used to develop coherent hypotheses. The aim is to demonstrate how digital three-dimensional modeling can go beyond mere representation, becoming a fundamental tool for a deeper understanding of the architecture itself. The development of technical material presented in a simplified form promotes a project of dissemination and preservation of the heritage’s memory. The practical application of the 3D geometric model as a means for the enhancement project was carried out on the case of the Fort at the Umm al-Dabadib settlement, a Late Roman archaeological site located in the Kharga Oasis in Egypt
Plastic-to-x modelling considering energy integration using a machine-learning-embedded multi-objective graph-theoretic optimization approach: an EU-27 case study
Full text linkLAUREA MAGISTRALELe crescenti sfide ambientali ed economiche legate ai rifiuti plastici richiedono soluzioni di riciclo sostenibili che rispettino i principi dell’economia circolare e gli obiettivi di decarbonizzazione energetica. Questo lavoro sviluppa un nuovo quadro di ottimizzazione grafico multi-obiettivo con apprendimento automatico incorporato (P-graph) per valutare i percorsi plastic-to-X nell’UE-27, inclusi Norvegia e Irlanda. Sono analizzate quattro strategie di riciclo: riciclo meccanico (plastica in plastica), pirolisi per ottenere olio di pirolisi (plastica in combustibile), gassificazione per produrre metanolo (plastica in prodotto chimico) e incenerimento (plastica in energia), applicate a quattro tipologie di plastica: plastica mista, polietilene, polipropilene e polistirene. Il modello integra i mix elettrici specifici di ciascun paese e normalizza le prestazioni in funzione sia del costo totale sia delle emissioni di CO2, utilizzando modelli surrogati derivati da simulazioni di processo e dati di letteratura. I risultati mostrano che la scelta del percorso dipende sia dalla composizione della plastica sia dal profilo elettrico nazionale. Il riciclo meccanico è economicamente favorito per flussi puri come l’HDPE, mentre la pirolisi domina per PS e PP grazie agli elevati rendimenti in olio e alle basse emissioni. Per la plastica mista viene selezionato costantemente un approccio ibrido che combina riciclo meccanico e produzione di metanolo. L’analisi delle mille soluzioni quasi ottimali rivela che la combinazione di più percorsi è più vantaggiosa rispetto all’impiego di singole tecnologie. Queste soluzioni quasi ottimali sono particolarmente preziose per i decisori, poiché consentono di considerare aspetti pratici non esplicitamente inclusi nel modello, come vincoli normativi, disponibilità di infrastrutture o maturità tecnologica. Questo studio fornisce un quadro completo di supporto alle decisioni per ottimizzare la valorizzazione dei rifiuti plastici in funzione delle condizioni energetiche specifiche di ciascuna regione.The growing environmental and economic challenges associated with plastic waste call for sustainable recycling solutions that align with circular economy principles and energy decarbonization goals. This work develops a novel machine learning-embedded multi-objective graph-theoretic (P-graph) optimization framework to evaluate plastic-to-X pathways across the EU-27, including Norway and Ireland. Four recycling strategies are examined: mechanical recycling (plastic-to-plastic), pyrolysis to pyro-oil (plastic-to-fuel), gasification to methanol (plastic-to-chemical), and incineration (plastic-to-energy), each applied to four plastic compositions, i.e., mixed plastics (MP), polyethylene (PE), polypropylene (PP), and polystyrene (PS). The model integrates country-specific electricity mixes and normalizes performance based on both total cost and CO2 emissions using surrogate models derived from process simulations and literature data. Results show that pathway selection is influenced by both plastic composition and the national electricity profile. Mechanical recycling is economically favored for pure streams like HDPE, while pyrolysis dominates PS and PP due to high oil yields and low emissions. MP, a hybrid approach combining mechanical recycling and methanol production is consistently selected. An analysis of the top 1000 near-optimal solutions reveal that the combination of multiple pathways is attractive as opposed to single technologies. These near-optimal solutions are particularly valuable for decision-makers, as they can accommodate practical considerations not explicitly captured in the model, such as policy constraints, infrastructure availability, or technological readiness. This study provides a comprehensive decision-support framework for optimizing plastic waste valorization under region-specific energy conditions
Recycling of ferro-nickel slag: evaluation of chemical and thermodynamics properties to use it as a raw material for thermophosphate production
No full textLAUREA MAGISTRALELa crescente attenzione verso pratiche agricole sostenibili e la rivalutazione dei sottoprodotti industriali hanno stimolato la ricerca di fonti alternative di fosforo. La presente tesi esplora il potenziale riciclo di scorie di ferronichel, derivanti da processi pirometallurgici condotti in Brasile (nelle regioni di Minas Gerais e Pará), quali materie prime per la produzione di fertilizzanti termofosfati. A tal fine, miscele di polvere ossea e scorie, in proporzioni variabili (30-45% di osso bovino), sono state sottoposte a trattamenti termici ad alta temperatura (1550°C e 1450°C, per 2 ore). Lo studio si concentra sulla caratterizzazione chimica (tramite XRD e SEM-EDS), sull'analisi termodinamica (attraverso la relazione basicità-viscosità, modellata con FactSage e i modelli di Riboud e Mills-Sridhar) e sulla valutazione del recupero del fosforo utile al processo di riciclo.
I risultati ottenuti hanno evidenziato una relativa stabilità della basicità tra le diverse composizioni analizzate, mentre la viscosità ha mostrato variazioni significative, influenzando l'efficienza della separazione metallo-scoria, un aspetto cruciale per la presenza del fosforo nel termofosfato finale. Il contenuto di fosforo è risultato incrementato con l'aggiunta di agenti flussanti, in particolare il 10% di nefelina e carbonato di sodio, che hanno migliorato la separazione di fase e favorito la formazione di fosfati di calcio e di sodio ad elevata solubilità. Le migliori performance nel recupero del fosforo sono state osservate per i rapporti osso-scorie 35-65 e 40-60, nonché per il campione 45-55 trattato con carbonato di sodio a 1450°C, che ha manifestato una maggiore fluidità delle scorie e il più alto contenuto finale di P2O5.
Nel complesso, questa ricerca fornisce una base per la potenziale industrializzazione della produzione di termofosfato a partire da scorie di ferronichel, sottolineando la necessità di ulteriori indagini sui tassi di raffreddamento e sull'impiego di agenti flussanti alternativi al fine di migliorare l'efficienza del processo e la sua sostenibilità economica.The increasing focus on sustainable agricultural practices and the valorization of industrial byproducts has spurred research into alternative phosphorus sources. This thesis investigates the recycling potential of ferronickel slags, generated from pyrometallurgical processes in Brazil (Minas Gerais and Pará), as raw materials for the production of thermophosphate fertilizers. Mixtures of bone ash and slag, in varying proportions (30-45 wt% bovine bone ash), were subjected to high-temperature heat treatments (1550°C and 1450°C, for 2 hours). The study concentrates on chemical characterization (via XRD and SEM-EDS), thermodynamic analysis (through the basicity-viscosity relationship, modeled with FactSage and the Riboud and Mills-Sridhar models) and on the evaluation of phosphorus recovery useful for the recycling process.
The results obtained revealed a relatively stable basicity across the analyzed compositions, while viscosity exhibited significant variations, influencing the efficiency of metal-slag separation, a crucial factor for the presence of phosphorus in the final thermophosphate. The phosphorus content was enhanced with the addition of fluxing agents, particularly 10 wt% nepheline and sodium carbonate, which improved phase separation and promoted the formation of highly soluble calcium and sodium phosphates. The best phosphorus recovery performances were observed for bone-slag ratios of 35-65 and 40-60, as well as for the 45-55 sample treated with sodium carbonate at 1450°C, which demonstrated higher slag fluidity and the highest final P2O5 content.
Overall, this research provides a foundation for the potential industrialization of thermophosphate production from ferronickel slags, underscoring the need for further investigations into cooling rates and the utilization of alternative fluxing agents to enhance process efficiency and economic viability
Experimental comparison of matter over thread and Zigbee
Full text linkLAUREA MAGISTRALELa rapida diffusione dei dispositivi Internet of Things (IoT) ha trasformato la casa intelligente in un sistema distribuito complesso, in cui la scelta del protocollo di comunicazione wireless è fondamentale per garantire affidabilità, efficienza e interoperabilità. Questa tesi conduce un rigoroso confronto empirico delle prestazioni tra due tecnologie leader: il consolidato protocollo Zigbee e il moderno stack Matter over Thread basato su IP.
Attraverso una serie di esperimenti controllati su un banco di prova hardware, sono state misurate quantitativamente quattro aree chiave di prestazioni: overhead e scalabilità del protocollo, latenza e throughput, resilienza della rete mesh e fattibilità della classificazione dei dispositivi basata sul Machine Learning.
I risultati rivelano un chiaro compromesso ingegneristico. Zigbee mostra prestazioni superiori in termini di bassa latenza single-hop e recupero del percorso eccezionalmente rapido, rendendolo altamente agile per reti statiche più piccole. Tuttavia, è stato osservato che il protocollo di routing reattivo utilizzato dal sistema comporta instabilità della rete e scalabilità non ottimale in topologie multi-hop profonde. Al contrario, Matter over Thread mostra un'eccellente scalabilità, un overhead di rete inferiore in configurazioni più grandi e un throughput multi-hop robusto, affermandosi come una base più stabile per le grandi case intelligenti interconnesse. Questa stabilità, tuttavia, è accompagnata da una significativa riduzione della capacità di autoriparazione della rete in caso di guasti dei nodi.
I risultati di questa ricerca suggeriscono che nessuno dei due protocolli sopra menzionati sia universalmente superiore. Pertanto, la scelta dell'uno rispetto all'altro rappresenta un compromesso fondamentale tra la reattività di Zigbee e la stabilità di Thread. Espandendosi oltre i confini delle specifiche tecniche per includere dati reali, questo lavoro fornisce una comprensione critica e basata sui dati che può aiutare ingegneri e sviluppatori nella progettazione della prossima generazione di ambienti automatizzati e connessi.The rapid proliferation of Internet of Things (IoT) devices has transformed the smart home into a complex distributed system, where the choice of wireless communication protocol is critical for ensuring reliability, efficiency, and interoperability. This thesis conducts a rigorous, empirical performance comparison between two leading technologies: the established Zigbee protocol and the modern, IP based Matter over Thread stack.
Through a series of controlled experiments on a hardware testbed, four key performance areas were quantitatively measured: protocol overhead and scalability, latency and throughput, mesh network resilience, and the feasibility of machine learning-based device classification.
The findings reveal a clear engineering trade-off. Zigbee exhibits superior performance in terms of low single-hop latency and exceptionally rapid route recovery, rendering it highly agile for smaller static networks. However, the reactive routing protocol employed by the system has been observed to result in network instability and suboptimal scalability in deep multi-hop topologies. Conversely, Matter over Thread exhibits excellent scalability, lower network overhead in larger configurations, and robust multi-hop throughput, establishing it as a more stable foundation for large, interconnected smart homes. This stability, however, is accompanied by a significant reduction in the network's capacity for self-healing in the event of node failures.
The findings of this research suggest that neither of the aforementioned protocols is universally superior. Thus, the selection of one over the other signifies a fundamental compromise between Zigbee's reactivity and Thread's stability. By expanding beyond the confines of technical specifications to encompass real-world data, this work provides a critical, data-driven understanding that can assist engineers and developers in the design of the next generation of automated and connected environments