Tecnología Electrónica

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Bioimpedance spectroscopy wearable system for noninvasive monitoring of heart failure
(2024-06-28) Fernández Scagliusi, Santiago Joaquín; Huertas Sánchez, Gloria; Pérez García, Pablo; Universidad de Sevilla. Departamento de Electrónica y Electromagnetismo; Universidad de Sevilla. Departamento de Tecnología Electrónica
Esta tesis se centra en el avance de la eHealth a través del desarrollo y la validación de un dispositivo portátil de espectroscopia de bioimpedancia (BIS), llamado Volum, para monitorear la acumulación de líquidos en pacientes con insuficiencia cardíaca congestiva (ICC). La ICC, que afecta a más de 64 millones de personas en todo el mundo, es una de las principales causas de hospitalización, especialmente entre los mayores de 65 años, con tasas de readmisión del 30-50% dentro de los seis meses. El monitoreo del estado de los fluidos es crucial, ya que la retención de líquidos es un síntoma principal que conduce a la hospitalización, y actualmente hay pocas herramientas disponibles para su monitoreo continuo y no invasivo. El análisis de bioimpedancia (BIA) ofrece un método no invasivo para monitorear el estado de los fluidos midiendo la oposición de los tejidos biológicos a la corriente alterna. Volum utiliza el chip AD5941 para mediciones precisas de bioimpedancia de bajo consumo en un rango de frecuencias de 1 a 200 kHz. El dispositivo mide la bioimpedancia de la pantorrilla, un sitio clave para el edema en pacientes con ICC, con una placa de circuito impreso (PCB) compacta, que se adapta a una tobillera con cuatro electrodos de acero inoxidable. Se integra con una aplicación de Android y una base de datos remota para la visualización de datos en tiempo real y el seguimiento continuo del estado de salud. También incorpora una Unidad de Medición Inercial (IMU), para mejorar el análisis de datos ofreciendo información sobre la postura del paciente, contribuyendo a una comprensión más completa de la dinámica de fluidos. Se implementaron procesos de calibración, prueba y validación para garantizar la precisión y fiabilidad del dispositivo. Se utilizó el método de Auto-Calibración por Interpolación Cuadrática de Lagrange (QISC) para corregir errores sistemáticos, logrando niveles de rendimiento comparables a dispositivos comerciales de referencia como el SFB7, en modelos de circuitos y en humanos usando electrodos secos. Aunque las pruebas iniciales en humanos mostraron valores de impedancia dentro del rango esperado (10-50 ?), muchas mediciones presentaron artefactos de baja frecuencia (LF), causando inconsistencias y errores en la estimación del volumen. Simulaciones del circuito de medida de bioimpedancia, identificaron el mismatch de electrodos como la principal fuente de artefactos de baja frecuencia. Se propusieron y validaron técnicas como el promedio de mediciones, los cortes de frecuencia y el ajuste de la curva al modelo de Cole a través de simulaciones, circuitos eléctricos y pruebas en un paciente con ICC, mostrando resultados prometedores. Esta tesis avanza en la tecnología portátil de bioimpedancia con el dispositivo Volum para el monitoreo continuo y no invasivo de la retención de líquidos en pacientes con ICC, lo que podría mejorar la atención y reducir las readmisiones hospitalarias.
Sistema asistencial inteligente basado en tecnologías IoT para la mejora de la movilidad de peatones con discapacidad visual en ciudades inteligentes
(2023-11-24) Montanha, Aleksandro; Romero Ternero, María del Carmen; Universidad de Sevilla. Departamento de Tecnología Electrónica
En esta tesis se ha diseñado y desarrollado un sistema inteligente que ayuda a personas con discapacidad visual a cruzar carreteras dentro de una ciudad, empleando técnicas de procesamiento de imágenes basadas en machine learning, técnicas de procesamiento de señal para la localización y el seguimiento en tiempo real de peatones y tecnología de aplicaciones móviles. Se trata de una tesis por compendio que presenta un total de cuatro contribuciones. En la primera se presenta la arquitectura del sistema y el planteamiento general, en la segunda se presentan técnicas para mejorar la localización de los peatones, en la tercera se plantea un nuevo método que mejora la localización y en la cuarta se aplica diseño centrado en el usuario para mejorar la interacción del sistema con los peatones, habiendo realizado pilotaje en dos ciudades de Brasil. En conjunto, esta investigación contribuye al avance científico-tecnológico con un primer sistema asistencial inteligente basado en tecnologías IoT para peatones con discapacidad visual en ciudades inteligentes.
Metodologías y técnicas para el análisis de datos y el diseño y desarrollo de soluciones de inteligencia artificial confiable basadas en modelos predictivos en el ámbito de la salud
(2023-11-06) Oprescu, Andreea M.; Armengol de la Hoz, Miguel Ángel; Romero Ternero, María del Carmen; Universidad de Sevilla. Departamento de Tecnología Electrónica
En este trabajo se presenta una contribución en el diseño y desarrollo de soluciones de Inteligencia Artificial Confiables basadas en modelos predictivos en el ámbito de la salud. En el año 2019, la Unión Europea comenzó a marcar, a través de sus directrices, el camino que el diseño y desarrollo de soluciones basadas en IA deben seguir con el objetivo de promover la adopción de esta tecnología a una mayor escala y con las suficientes garantías de respeto de los derechos humanos, la ética y la seguridad en su aplicación. Estas directrices buscan impulsar un uso responsable y confiable de la IA en diversos ámbitos, entre los cuales se destaca el ámbito de la salud. En este contexto, en esta tesis se han explorado metodologías, técnicas y estrategias que promuevan el diseño y desarrollo de sistemas de IA confiables. Uno de los pilares fundamentales de esta tesis ha sido el uso de la metodología de diseño centrado en la persona con el propósito de que las soluciones de IA propuestas estén alineadas con las necesidades y expectativas y contextos de los usuarios finales. Por otro lado, el uso de modelos altamente interpretables y la propuesta de una innovadora estrategia de validación demuestra el compromiso con la investigación en el diseño y desarrollo sistemas de IA confiables en el ámbito de la salud. La tesis se ha desarrollado en el marco de casos de uso reales, en los que se han contado con el conocimiento experto de un equipo de profesionales clínicos, cuya participación ha permitido proponer soluciones que puedan contribuir positivamente al campo de la salud y la asistencia clínica.
Evaluación de las políticas de privacidad en aplicaciones móviles de salud. Diseño de una escala basada en el Reglamento General de Protección de Datos
(2023-10-31) Benjumea Mondéjar, Jaime; Carrasco Muñoz, Alejandro; Ropero Rodríguez, Jorge; Universidad de Sevilla. Departamento de Tecnología Electrónica
En la tesis doctoral titulada "Evaluación de las políticas de privacidad en aplicaciones móviles de salud. Diseño de una escala basada en el Reglamento General de Protección de Datos” se pretende entender cómo se evalúa en la actualidad un componente primordial en la privacidad de los datos, como es la política de privacidad, además de proponer un novedoso método para esta evaluación. La aportación principal de esta tesis es la elaboración de una nueva escala para evaluar la calidad de las políticas de privacidad en aplicaciones móviles de salud, teniendo en consideración la normativa europea en protección de datos. Se entiende por evaluación de la calidad el análisis del contenido de la política de privacidad conforme a los criterios específicos definidos en la escala propuesta, de forma que se evalúe si la política de privacidad, además de suministrar determinada información, lo hace de una forma en la que se es leal y transparente con el usuario. Como se mostrará en esta memoria de tesis, se ha realizado un análisis del estado del arte mediante una revisión de las publicaciones científicas, en la que se ha detectado que existía un hueco de investigación en la evaluación de la privacidad en aplicaciones móviles de salud. La escala propuesta cubre, precisamente, ese hueco de investigación previamente detectado. Esta escala, por su diseño, también puede ser usada por los desarrolladores de aplicaciones móviles de salud para elaborar una política de privacidad que cumpla los requisitos establecidos por el RGPD. Además, con el fin de proporcionar una herramienta útil para desarrolladores y evaluadores, se ha diseñado una guía de usuario. Finalmente, se ha realizado un estudio con expertos en protección de datos, usando una técnica Delphi modificada, a fin de analizar la robustez de la escala propuesta, plantear la inclusión de nuevos criterios y asignar pesos a los distintos ítems que forman la escala.
Modelo adaptable usando datos en tiempo real en un reactor de digestión anaerobia para supervisión y control
(2023-02-13) Cortés Ocaña, Luis Gabriel; Barbancho Concejero, Julio; Larios Marín, Diego Francisco; Universidad de Sevilla. Departamento de Tecnología Electrónica
Este trabajo de tesis tiene como objetivo desarrollar una metodología que permita diseñar un sistema de supervisión y control en un reactor de digestión anaerobia. Para poder llevar a cabo este propósito se debe diseñar y validar un modelo matemático, de base fenomenológica que describa el proceso de digestión a anerobia dentro de un reactor, pensado para propósitos de monitoreo y control que permitan hacer uso de esta herramienta en un amplio espectro de tipos de biomasas. Luego se plantea el desarrollo de una metodología que integre todos los datos medidos por los sensores, instalados en el reactor, junto con la información de las cinéticas de reacción, y las dinámicas de las concentraciones de los microorganismos considerados para el proceso (acidogénicas y metanogénicas), obtenidos a través de una estructura de observadores propuesta para este tipo de procesos en particular. Finalmente se diseña una sistema de control predictivo basado en modelo (MPC) que maximice la producción de metano y evite que el sistema opere en zonas de inhibición o inestabilidad.
Aplicación de técnicas de analítica de datos para el descubrimiento topológico en redes de distribución
(2023-01-11) García Caro, Sebastián; León de Mora, Carlos; Personal Vázquez, Enrique; Universidad de Sevilla. Departamento de Tecnología Electrónica
El crecimiento continuo de la demanda eléctrica, la incorporación en la red de recursos de energía distribuida, la posibilidad de que aparezcan flujos bidireccionales y la aparición de los servicios de flexibilidad, en la que los prosumidores tienen un papel central, hace que los operadores de la red de distribución necesiten adaptar los modelos actuales de gestión, operación y planificación de la misma. En este escenario, el conocimiento de la topología de red es fundamental. Sin embargo, si bien el grado de información sobre la topología en distribución en alta y media tensión siempre ha sido elevado, la red de distribución en baja tensión ha sufrido tradicionalmente de deficiencias a este respecto. Gracias la apuesta por la digitalización de la red de distribución en los últimos años, así como al aumento del nivel de monitorización de la misma, especialmente en la baja tensión, los esfuerzos científicos se han centrado en el desarrollo de técnicas y aplicaciones que, basadas en analítica de datos, contribuyan a solventar el problema de la información topológica. En este sentido, si bien en la literatura existen métodos que permiten descubrir la topología de red, aún existen problemas que no han sido abordados. A este respecto, algunos de los métodos existentes requieren de una serie de datos de entrada que hacen difícil su aplicación real, otros solo aportan resultados certeros en ciertos casos de uso y los que más avanzados se encuentran adolecen de una serie de carencias que aún no han sido afrontadas. Por tanto, los esfuerzos de esta tesis doctoral se centran en el estudio del panorama actual en la identificación topológica, así como en el desarrollo de nuevos métodos que permitan realizar tareas de descubrimiento topológico en redes de distribución de baja tensión. En concreto, en esta tesis se presentan dos nuevos métodos basados en analítica de datos para el descubrimiento topológico en redes de baja tensión. Uno de ellos dedicado a la identificación de fase y otro dedicado a la identificación de línea. Los métodos desarrollados son acordes a la capacidad actual de monitorización de la red de distribución y mejoran las capacidades de los desarrollados hasta el momento en la literatura, a la vez que afrontan y solventan las deficiencias de estos.
LILA (Low-level IoT Ligtweigth Applications): aplicaciones hardware para dispositivos IoT
(2022-09-08) Cano Quiveu, Germán; Bellido Díaz, Manuel Jesús; Ruiz de Clavijo Vázquez, Paulino; Universidad de Sevilla. Departamento de Tecnología Electrónica
Esta tesis se enmarca dentro del Proyecto de Investigación TIN2017-89951-P: BootTimeIoT: Sistemas de inicio avanzados y sincronización temporal de alta precisión para IoT, específicamente dentro de la línea del proyecto dedicada a "Bootloaders y Sistemas de archivos para sistemas empotrados". La tesis se presenta como compendio de publicaciones y esta constituida de tres partes diferenciadas. En la primera de ellas se presenta una aplicación de bootloader hardware para dispositivos IoT, que es uno de los objetivos/tarea principales del proyecto de investigación. En el desarrollo de esta tarea surgen dos cuestiones importantes relacionadas con el diseño de aplicaciones IoT y que dan lugar a las otras dos partes de esta tesis: Una metodología integral universal para Aplicaciones sobre FPGA, la cual permite una verificación mediante simulación RTL y On-Chip; y un Core que aporta seguridad a los dispositivos IoT confiriendo confidencialidad, integridad y autenticidad a los datos de usuario haciendo uso de esta metodología integral.
Simulaciones biofísicas mediante elementos finitos de procesos de criopreservación y recalentamiento en material biológico
(2022-06-03) Barroso Rodríguez, Pablo; Risco, Ramón; Balcerzyk, Marcin; Olmo Fernández, Alberto; Universidad de Sevilla. Departamento de Física Aplicada III; Universidad de Sevilla. Departamento de Fisiología Médica y Biofísica; Universidad de Sevilla. Departamento de Tecnología Electrónica
En la criopreservación de material biológico se utilizan las bajas temperaturas para detener los procesos metabólicos celulares, intentando evitar el daño celular debido a la formación de hielo y las altas concentraciones de crioprotectores, tóxicas para dichos sistemas biológicos. De igual forma, es necesario realizar un proceso de recalentamiento que evite la formación de hielo, siendo para ello imprescindible en muchos casos un calentamiento de la muestra uniforme y a alta velocidad. En esta Tesis Doctoral se estudian diferentes procesos de enfriamiento y difusión de crioprotector en sistemas biológicos (células, tejidos y órganos), con el objetivo de entender mejor dichos procesos y optimizar diferentes parámetros en pruebas reales posteriores. Para ello se utilizan simulaciones de elementos finitos, mediante herramientas software como COMSOL Multiphysics y Openfoam. De igual forma se estudian y se simulan mediante elementos finitos diferentes propuestas novedosas para el recalentamiento de material biológico, como el uso de Ultrasonidos Focalizados de Alta Intensidad (HIFU, por sus siglas en inglés), o el uso de nanopartículas magnéticas unidas a proteínas anticongelantes. Las simulaciones realizadas muestran la validez y potencial de las técnicas aquí presentadas para su uso en la criopreservación de material biológico. Por último, se implementa un dispositivo para la realización de experimentos de criopreservación, mediante la técnica de Liquidus-Tracking, con el fin de validar las simulaciones de elementos finitos hechas y comparar los resultados obtenidos con los de un sistema real.
Application of Intelligent Techniques for Optimal Management of Weakly Connected Microgrids
(2022-05-19) Parejo Matos, Antonio; León de Mora, Carlos; Personal Vázquez, Enrique; Bracco, Stefano; Universidad de Sevilla. Departamento de Tecnología Electrónica
The decarbonization and the climate change mitigation have become a priority for many countries and governments. One of the main tools for accomplishing these objectives is the growth of renewable generation sources in the power system, but their inclusion constitutes a great challenge for the network operation due to their high variability and their stochastic behavior. In this context, the management of the power system and microgrids can be treated as optimization problems in which the resources are operated with the aim of minimizing the cost function. This cost function and the corresponding operative restrictions depend on each specific situation, for example, on which are the power consumption requirements, how weak is the connection with the power grid, and how critical are the loads to be fed in the zone. In this sense, despite the large variety of optimization approaches, these have in common the importance of counting on a high-quality forecasting system for predicting the uncertainties of the microgrid (or network) to operate. The main existing approaches for predicting the uncertainties are deterministic and stochastic (which in many cases is also called probabilistic) forecasting. Considering the importance of forecasting systems for performing the optimization of microgrids and, in general, power networks, this doctoral thesis is focused on the design of a microgrid-oriented forecasting framework that includes a wide range of forecasting approaches, which makes possible its integration with other applications, for example, energy management optimization systems. This framework includes several deterministic and stochastic methods and is able to handle the training and selection of the models for performing the forecast according to the type of uncertainty representation that is required in each case.
Modeling and simulation of non-linear bioelectronic systems applied to cell culture assays
(2021-12-12) Serrano Viseas, Juan Alfonso; Huertas Sánchez, Gloria; Yúfera García, Alberto; Universidad de Sevilla. Departamento de Electrónica y Electromagnetismo; Universidad de Sevilla. Departamento de Tecnología Electrónica
Monitoring the properties of biological samples (BS) is expensive in terms of time consumption and cost in resources and human effort. There are monitoring methods using different techniques, depending on the type of biological sample (cells, tissues, blood, etc.). In this thesis, we improve the accuracy of the ECIS (electrical cell-substrate impedance spectroscopy) technique of bioimpedance (BI) measurement of a monolayer cell-culture (CC), which measures the electrical response of a CC when an alternating current is applied to it at several frequencies. Specifically, this dissertation is focused on the modeling of the cell-electrode (CE) block, and the real-time monitoring and acquisition of the cell concentration in a CC assay experiment. In addition, using as a database the CE model obtained in the modeling stage, a toolbox has been built to perform efficient electrical real-time simulations with Ngspice, launching these simulations from Matlab. Herein, the BI measurement is applied indirectly. Instead of injecting a signal, the CE block is connected to an electronic oscillator, which fulfills the Barkhausen Stability Criterion (BSC) to ensure that self-maintained and self-sustained oscillations are generated. The technique is known as Oscillation Based Test (OBT) [1]. Instead of measuring the changes between the output and input signal, the oscillation frequency and amplitude are acquired and, using the BSC, the parameters of the CE model used can be obtained on the fly. As can be seen, this technique is much more powerful than injecting a signal, since instead of obtaining the BI for a given frequency, the whole CE electrical model of the CE block is obtained. The CE model used is based on previous work, but some improvements are introduced to increase its accuracy. The data base for this work are real measurements made by the research group in CC assays with three different cell lines using an OBT circuit. From these data, the parameters of the CE model block are successfully obtained. The modeling technique is tested on some variations of the CE model, reaching better results by increasing its complexity, making the model closer to reality or introducing Fractional Oden (FO) elements. Data from real experiments, and the best variants of the electrical model are used to build a simulator of a CC assay experiment. The simulator calculates model parameters and cell concentration in real-time (without taking into account future measurements) using the minimization of a cost function (CF). The minimization of an appropriate CF ensures that the oscillation requirements are satisfied and that the obtained CE model parameter values are consistent with the theoretical values. The acquired results are very satisfactory since the simulation of a real-time experiment demonstrates that the technique of minimizing a CF can be used to obtain the cell concentration in real-time. As a result, cell concentration data are attained whose trend and values present a relatively low error when compared to the cell concentration achieved by traditional optical cell counting methods. Electrical simulations of an electronic circuit are very useful during the design and testing process prior to the build of the circuit. The model parameters obtained during the simulation of a CC assay experiment, in addition to showing the feasibility of the technique, can be used in electrical simulations of the OBT circuit. For future improvements of the OBT measurement circuit, which are discussed at the end of this dissertation, electrical simulations must be performed with realistic data to ensure that the measurement circuit will work robustly. To perform such simulations, a toolbox has been built in Matlab, which performs electrical simulations using Ngspice (open-source Spice simulator) in an efficient way. This toolbox is applied to the oscillator circuit simulation successfully, being able to perform multiple simulations, varying the CE model automatically, in an efficient way. In addition, it can be applied to any electronic circuit to launch electrical simulations from Matlab.
El futuro y la demanda energética
(2020-02-14) Sánchez Durán, Rafael; Luque Rodríguez, Joaquín; Barbancho Concejero, Julio; Universidad de Sevilla. Departamento de Tecnología Electrónica
Introducción o motivación de la tesis La investigación se centra en el estudio de la evolución de la demanda de energía y su visión futura de abastecimiento. Existen diferentes motivos para defender la necesidad de un estudio en profundidad sobre la demanda energética, la sociedad avanza con cada vez mayores necesidades de recursos energéticos que acompañan al crecimiento poblacional y económico, impulsando a las sociedades y en especial a aquellas en vías de desarrollo. La planificación de la demanda energética es clave para anticipar y gestionar una transición sostenible a lo largo de este siglo XXI. Los desarrollos tecnológicos son cada vez más rápidos, aportando una mayor eficiencia energética a las actividades, incluso permiten hoy en día generar la energía de manera distribuida en los propios lugares de consumo, algo que pondrá freno a unas necesidades que por tendenciales se vuelven insostenibles. Otro motivo que invita al desarrollo de esta tesis proviene de la necesidad de una adecuada comprensión de los factores que influyen en el consumo energético. La compleja mezcla de efectos, provocados en ocasiones por razones económicas (ejemplo reciente en la crisis financiera), por cambios en la composición de subsectores, la diferente climatología, o incluso por la incorporación de eficiencia en el uso de los recursos energéticos, lleva a confusión en la justificación de las variaciones de demanda. La descomposición factorial va a ser un recurso útil para explicar las variaciones en la demanda por cada sector de uso en el tiempo. La identificación de algoritmos de predicción de la demanda, recogidos en la terminología anglosajona bajo el concepto “Energy Forecasting”, serán una herramienta de especial importancia en un mundo basado en la recolección y tratamiento de los datos. La transición energética, en cuanto al proceso de evolución del modelo hacia un nuevo modelo sostenible, necesitará identificar como primer elemento en la ecuación la demanda energética, primero a nivel agregado (relación energía con economía y población), pero al mismo tiempo con un suficiente nivel de desagregación por cada sector de consumo final (Industria, Transporte, Residencial y Servicios) e inductor de consumo de éstos. Será aún más importante trasladar las conclusiones de la predicción agregada a ámbitos de gestión cercanos como son las ciudades y sus habitantes, ciudades que por su tamaño, densidad, niveles de renta y clima presentarán diferentes escenarios donde afrontar su parte de contribución. Serán ciudades inteligentes las que logren anticipar su camino hacia la sostenibilidad. Las ciudades son sistemas interconectados y motores impulsores de la economía que van a tener un papel clave para lograr el éxito en la estrategia de energía y clima a 2030. Será preciso estimular su conectividad, creatividad e innovación bajo un mundo digital que permita coordinar las nuevas formas de relación con los recursos energéticos distribuidos. Los fenómenos de sustitución tecnológica, junto a oportunidades derivadas del intercambio de información entre máquinas, van a jugar un papel fundamental en la velocidad de los cambios. El reto estará en sincronizar los requerimientos de ajuste de demanda energética con los ciclos de renovación de equipos que siguen funcionando (Ejemplo de esto: electrificación del transporte y vehículos con conducción autónoma). 2.contenido de la investigación El documento se desarrolla en una primera exposición de los antecedentes que han motivado la investigación, el problema a abordar se ha centrado en el gran reto del desarrollo humano y el calentamiento global. Se exponen las razones para mostrar la importancia de la conservación de los recursos del planeta, entre ellos los recursos energéticos. Se analiza la situación del planeta, los recursos consumidos y su huella ecológica. La actividad del hombre ha alterado el ciclo del carbono, su evolución viene acompañada de un uso intensivo de los recursos de la tierra. El análisis parte en términos de sostenibilidad y compromiso para las generaciones futuras, sobre la necesidad de racionalizar el uso de aquellos elementos de carácter finito y la demanda de energía es, sin duda, uno de los mayores retos que tiene la humanidad, para frenar el calentamiento del planeta derivado del aumento de emisiones de CO2 a la atmosfera. En la medida que seamos capaces de asociar la relación de la demanda de energía con otros elementos como economía, la relación con el clima, o la intensidad energética de los diferentes usos finales (industria, servicios, residencial y agricultura), lograremos un mayor entendimiento y acierto a la hora de realizar escenarios y pronósticos de su comportamiento futuro. Siguiendo con esta aproximación el recorrido comienza con una primera relación entre la energía y las emisiones. Desde el estudio del ciclo del carbono, se analiza la relación de la quema de combustibles con las emisiones y la vinculación de las emisiones con el calentamiento global del planeta, presentado como el mayor reto de la humanidad y consecuencias impredecibles. Evitar las consecuencias de este calentamiento, será la principal meta a alcanzar por la transición energética, la sustitución de combustibles fósiles por fuentes renovables supondrá un delicado equilibrio ante la creciente de demanda de energía del planeta, que necesita cada vez más para su desarrollo. Al comparar la relación de la energía con la economía, se estudian las relaciones entre ambas magnitudes, se desarrolla la formulación de la identidad de Kaya (Kaya, 1997) aplicando sus resultados para explicar el caso español, en sus últimos 25 años, la serie histórica comprendida entre 1990 y 2015, con un especial énfasis en el aumento del consumo de energía primaria y las consecuencias de esto en las emisiones de CO2. En este primer análisis se verifica el comportamiento de dos periodos: pre crisis y post crisis, apreciando el fenómeno de la terciarización de la economía, o un mayor peso del sector servicios frente al industrial. Los modelos de descomposición factorial, desarrollados matemáticamente, permiten explicar el comportamiento de la variación de la demanda energética por tres razones: las económicas, estructurales y por la propia eficiencia energética de cada subsector. Se compara la formulación del método Laspeyres y LMDI, ofreciendo con ellos el análisis del periodo 1990 a 2015, diferenciando una primera etapa con un crecimiento económico constante frente al segundo vinculado a la crisis y su posterior recuperación. El análisis de la crisis financiera y su impacto sobre el consumo energético, es uno de los mayores dilemas, y objetos de debate respecto a la recuperación de los niveles de crecimiento previos, se ofrece una metodología para su discusión. Tras el análisis de las tendencias económicas y la eficiencia energética de cada subsector podemos realizar una proyección, con mayor conocimiento, de la demanda energética a futuro. A partir de un encuadre metodológico sobre la proyección de tendencias obtenidas por la descomposición factorial anterior y razonados los diferentes fenómenos sobre modelos predictivos tradicionales. Sobre unos escenarios de crecimiento poblacional y económicos se aporta una proyección energética a 2030, desglosada por los principales usos finales de la energía. El año 2030 es un conocido referente en términos de los retos de energía y clima y por ello la importancia de efectuar una acertada estimación. Se analizan diferentes modelos de predicción para series temporales, contemplando su tendencia, estacionalidad y ciclos. El uso de modelos predictivos se enmarca en la necesidad de planificar el suministro de la demanda de energía mediante fuentes de producción, dado que el nivel de almacenamiento es limitado. Se describen algunos trabajos relacionados con la previsión de demanda de electricidad, comparando con las metodologías y objetivos, que se basan en diferentes dimensiones como series temporales, variables macroeconómicas, temperatura, mediante sistemas estadísticos tradicionales o basados en nuevos algoritmos e inteligencia artificial utilizando grandes volúmenes de datos. A modo de resumen se plantea un ejercicio basado en el método de Holt-Winters, que combinará un ejercicio sobre series temporales para el pronóstico estacional de la demanda eléctrica para los diferentes estaciones y meses del año. El efecto de las temperaturas sobre la demanda de energía es otro de los análisis de la demanda y sus efectos. Por las necesidades de calefacción y climatización, la demanda de energía viene condicionada por el clima, la variación de temperaturas influye directamente sobre el consumo energético de los edificios según la tipología de días de calor y frio sobre determinados valores de indiferencia. El impacto del clima en el consumo energético de las ciudades españolas de más de 50.000 habitantes, clasificadas por diversos índices climáticos. A futuro será muy importante la relación de la energía con el clima, donde el conocimiento de las temperaturas, la irradiación procedente del sol, el viento o la pluviometría, son requisitos básicos a la hora de predecir el volumen de energía producible sobre la capacidad instalada en cada momento. De un 38% de generación eléctrica renovable en el año 2018 se evolucionará a un valor de al menos el doble para el año 2030 y la variabilidad climática incidirá en una volatilidad permanente de los recursos renovables. Las energías renovables, dependientes de comportamientos variables o estocásticos, pero que con adecuadas herramientas puedan llegar a ser predecibles. Se analizan y desarrollan las diferentes metodologías de predicción, como la tendencia lineal, medias móviles simples o ponderadas, alisados exponenciales simples y ajustados. Nos dirigimos hacia un modelo de energía distribuida, predominantemente basada en sol y que será la base de un importante suministro en las ciudades con gran protagonismo de las instalaciones fotovoltaicas como las de autoconsumo, muy vinculada a la demanda de un consumidor. Las energías renovables aumentarán la autosuficiencia de los países, pero tienen patrones con diferente ritmo horario y estacional, que condicionan a la demanda por la disponibilidad energética y la formación de precios. España es un país privilegiado por tener un mayor número de horas de sol respecto a otros países de Europa, el sol aparece como el nuevo combustible en la futura era basada en las renovables. Una vez presentadas las alternativas para la planificación, se realiza un ejercicio de simulación, desarrollando un escenario desde la oferta de energías renovables al horizonte de 2030. Mediante la utilización de modelos y herramientas matemáticas se evalúa un escenario base de la evolución del mix eléctrico peninsular, una vez situados en el cierre de tecnologías convencionales, basadas en carbón y nuclear. Se complementa la visión de la demanda final a 2030 y permite el modelado del logro de objetivos climáticos y energéticos. Nuestro país, al igual que en Europa, dispone de un ambicioso objetivo de evolución hacia renovables, esperando la neutralidad climática a mediados de siglo. Se está produciendo un cambio de tendencia hacia la energía limpia en todo el planeta, superando los 333 billones de € en el último año. En la medida que se alcancen los 100 GW sobre el año 2030, la garantía de suministro tendrá sus momentos de criticidad en ciertas épocas del año a la hora de dar cobertura a la demanda eléctrica. Las situaciones de ausencias de recurso renovable o vertidos para entender los retos de almacenamiento para atender la demanda energética. Con la necesidad de estudio del almacenamiento, como nuevos requerimientos de la demanda energética futura, bajo el binomio energía y movilidad, afronta las opciones de esta tecnología. El almacenamiento puede consistir en cualquier medio tecnológico que permita capturar y conservar energía producida hasta liberarla en un posterior consumo, alejado tanto en distancia como en tiempo respecto a su producción. Con la llegada masiva del vehículo eléctrico, el almacenamiento va a posibilitar la descarbonización del transporte, transformando la movilidad que pasará a ser eléctrica, conectada y compartida. También el almacenamiento permitirá consumir los vertidos de electricidad en escenarios de alta penetración de renovables, añadiendo la flexibilidad necesaria. El análisis muestra el estado tecnológico actual, de gran desarrollo técnico y en evolución económica. También destaca la relación que mantiene la digitalización con la energía. Se trata de servicios relativamente novedosos, pues los centros de proceso de datos, la inteligencia artificial y los algoritmos necesitarán de un creciente consumo energético hasta alcanzar los casi 2 zettabyte (1021 bytes) de tráfico IP en 2018 creciendo en dimensión cada año. El mundo cuenta con casi un 90% de acceso a la electricidad, sin embargo, el acceso a datos, si pudiéramos medirlo por el acceso a internet de la población sólo alcanza el 50%. Asistimos a un cambio de paradigma o revolución digital que hacen del “dato” el nuevo petróleo del futuro. Por último y con la finalidad de abordar una propuesta de tesis con carácter industrial se propone la puesta en marcha de un ambicioso modelo de ciudad descarbonizada y sin contaminación. Sobre un emplazamiento de carácter aislado, la Isla de la Cartuja, se formula una propuesta de proyecto tipo “sand box” con la transformación integral hacia el modelo de ciudad futura, eficiente, digital y basada 100% en renovables. Se describe, de manera detallada, las principales actuaciones transformadoras, agrupadas bajo cuatro áreas: energía, edificación, transporte y digitalización. Se pondrá en práctica el cumplimiento de la Directiva de eficiencia energética en edificación (UE) 2018/844 con la mejora de los 50 edificios de mayor consumo e incorporando referentes de consumo prácticamente nulo. Respecto a la Directiva (UE) 2018/2001, relativa al fomento del uso de energía procedente de fuentes renovables, la isla modificaría su mix logrando un balance neutro en emisiones, desde autoconsumo a grandes superficies de fotovoltaica sobre aparcamiento. El transporte evolucionará hacia vehículos limpios, con el rediseño de la isla dando mayor protagonismo a la peatonalización y los espacios verdes, poniendo en práctica la Directiva (UE) 2019/1161 relativa a la promoción de vehículos de transporte por carretera limpios y energéticamente eficientes y la Directiva 2016/2284 relativa a la reducción de las emisiones nacionales de determinados contaminantes atmosféricos. La propuesta industrial analiza en tres fases la situación actual de la isla, el paso a un autoabastecimiento con balance neutro y la plena autosuficiencia final, de la mano del almacenamiento. La propuesta desarrolla un modelo de generación basado en recursos distribuidos, por ello se profundiza en el equipamiento de digitalización, para lograr la coordinación del sistema eléctrico para un suministro estable. El proyecto pondría en práctica los modelos predictivos expuestos en la tesis, para la posterior investigación desde el proyecto. La transición energética tratará de migrar el abastecimiento de una demanda basada en fuentes no renovables hacia otras renovables, consideradas inagotables, por su inmensa disponibilidad o por la capacidad de regeneración que tiene nuestro planeta. Se propone anticipar el cumplimiento de objetivos energéticos ambientales acotados a este espacio, y anticipar 25 años los grandes retos, con vistas a superarlos con el desarrollo de los elementos necesarios para que puedan ser exportados a otras ciudades.
Adquisición y procesamiento de señales fisiológicas y sus aplicaciones
(2019-10-25) Castro García, Juan Antonio; Gómez González, Isabel María; Molina Cantero, Alberto Jesús; Universidad de Sevilla. Departamento de Tecnología Electrónica
Actualmente, la computación afectiva es una temática de investigación al alza. Ésta se apoya en dispositivos hardware para la adquisición de señales fisiológicas, que suelen ser privativos, caros y difíciles de coordinar con otros. En el documento se presenta una solución abierta, siguiendo las directrices del Open Source Hardware, para un sistema de bajo coste que es capaz de capturar de forma simultánea los siguientes elementos: una derivación del electrocardiograma (ECG); dos canales actividad electrodérmica (EDA), mediante técnicas de multiplexación en tiempo; y un canal de temperatura superficial. También se propone el uso del background noise level (BNL), un parámetro que ha sido adaptado del estándar MPEG-7, para determinar la calidad de la señal de electrocardiografía. Para el firmware se ha desarrollado una librería, bajo licencia LGPL v3 que asegura la frecuencia de muestreo a la vez que permite el uso de retardos no bloqueantes; e incluye funciones típicas del procesado digital de señales, como la capacidad de aplicar filtrado, análisis frecuencial por medio del algoritmo de Goertzel, y funciones de almacenamiento de ventanas para el cálculo de la energía contenida, o en número de cruces por cero de la señal. Del dispositivo se ha liberado tanto los esquemáticos del hardware como el firmware necesario para el microcontrolador. Asimismo, ha sido probado en un experimento que busca la detección de algún estado afectivo durante la realización de ejercicio físico.
Circuit design for biomedical laboratories based on impedance measurement
(2019-07-15) Pérez García, Pablo; Yúfera García, Alberto; Huertas Sánchez, Gloria; Universidad de Sevilla. Departamento de Tecnología Electrónica
Medida continua de la frecuencia en redes eléctricas con perturbaciones electromagnéticas conducidas de baja frecuencia
(2019-06-18) López Ojeda, Antonio; Montaño Asquerino, Juan-Carlos; Universidad de Sevilla. Departamento de Tecnología Electrónica
En esta Tesis se desarrolla un marco de trabajo para la comparación de los diversos métodos que realizan la medida de la frecuencia de la red eléctrica de manera continua, tanto para redes monofásicas como trifásicas. Esta comparación ha sido realizada tanto en ausencia de perturbaciones electromagnéticas, como en presencia de perturbaciones conducidas de baja frecuencia. Las señales de prueba utilizadas son las propuestas por la normativa IEC 61000 para este tipo de perturbaciones electromagnéticas (distorsión armónica, desequilibrio de tensión, fluctuación de tensión, hueco de tensión y variación de frecuencia). También se ha propuesto un nuevo método de medida, con versión monofásica y trifásica, que mejora las prestaciones de los existentes para determinados tipos perturbaciones. Finalmente, se ha evaluado la posibilidad de realización en tiempo real de los distintos métodos de medida. A partir de la normativa indicada, se ha creado un banco de señales de prueba para evaluar las prestaciones de cada método considerado. Estos han sido simulados en Mathcad, procesando las señales de prueba en distintas condiciones de ruido, cuantificación y frecuencia de muestreo. Para comprobar la ejecución en tiempo real de estos métodos, se han codificado en C y ejecutado con un controlador digital de señal. Para la comparación de los distintos métodos de medida de la frecuencia, se ha calculado el error máximo cometido en la estimación de la frecuencia para cada método y cada señal de prueba. El nuevo método de medida propuesto, presenta las mismas prestaciones o mejores que los métodos existentes cuando la tensión de red está distorsionada por armónicos impares, existe desequilibrio de tensión (redes trifásicas), hay fluctuación en la tensión de red, huecos de tensión o variaciones de frecuencia.
Vulnerabilidad y análisis diferencial mediante inserción de fallos de cifradores Trivium en FPGA y ASIC.
(2019-03-05) Potestad Ordóñez, Francisco Eugenio; Jiménez Fernández, Carlos Jesús; Valencia Barrero, Manuel; Universidad de Sevilla. Departamento de Tecnología Electrónica
Las comunicaciones entre dispositivos aumenta día a día y un gran ejemplo de ello es el crecimiento del Internet de las cosas, en inglés Internet of things (IoT). De entre todas las comunicaciones que se producen, parte de ella está compuesta por información sensible susceptible de ser interceptada por terceras partes con fines malintencionados. Con el fin de evitar este gran problema, la comunidad científica se ha centrado en la constante búsqueda y desarrollo de algoritmos criptográficos o criptosistemas, algoritmos orientados tanto a software como a hardware, que permitan asegurar unas comunicaciones donde los canales de transmisión son potencialmente inseguros. A la hora de poder establecer nuevos estándares de seguridad, es necesario estudiar la seguridad ofrecida por los nuevos algoritmos desde el punto de vista de su vulnerabilidad con el objetivo de reducirla. Estas vulnerabilidades de los llamados criptosistemas es posible estudiarlas tomando el rol de una tercera parte que trata de obtener la información secreta del dispositivo y con ello conocer dónde se encuentran sus puntos débiles. Es aquí donde se enmarca la presente Tesis Doctoral. A lo largo de este texto, se realiza un estudio del estado del arte de la criptografía, así como las técnicas más importantes para comprometer la seguridad de los criptosistemas actuales, siendo objeto de estudio el cifrador de flujo Trivium, tanto el diseño original presentado en el portfolio del proyecto eSTREAM, como diferentes variantes de éste. Para poder estudiar la vulnerabilidad de estos criptosistemas y poder recuperar su información secreta, se han diseñado diferentes sistemas de inserción de fallos tanto en tecnología FPGA como en ASIC. Estos sistemas de ataque se han implementado para poder atacar al cifrador mediante la manipulación de su señal de reloj y sus señales de control. Gracias a estos sistemas de ataque experimentales, es posible determinar los puntos débiles de estos criptosistemas y mediante el uso de análisis diferenciales recuperar su información secreta, clave y vector de inicialización. Este estudio, por tanto, presenta la primera rotura de este cifrador de forma experimental, consiguiendo en el 100% de los casos la recuperación de su clave secreta y probando que este criptosistema es vulnerable a los ataques por inserción de fallos.
Análisis de cadenas derivadas de modelos desconocido: aplicación al análisis del cante flamenco.
(2018-04-06) Mora-Merchán, Javier María; Mora Roche, Joaquín; León de Mora, Carlos; Universidad de Sevilla. Departamento de Tecnología Electrónica
Las comunicaciones en los sistemas de telecontrol en redes eléctricas: aplicación de técnicas formales de especificación
(1993) Gonzalo Ortiz, Fernando; Luque Rodríguez, Joaquín; Universidad de Sevilla. Departamento de Tecnología Electrónica
Extensiones al protocolo Modbus en el ámbito de los sistemas de control de edificios
(2016) Simón Muñiz, Francisco; León de Mora, Carlos; Universidad de Sevilla. Departamento de Tecnología Electrónica
En este trabajo se analiza el protocolo MODBUS, en el contexto de los sistemas de control de edificios y se proponen una serie de extensiones, para su mejora, que pretenden aumentar la interoperabilidad del protocolo y facilitar y automatizar los procesos de configuración de la red.
Diseño de interfaces para la mejora del acceso a las tecnologías de personas con dificultades motrices.
(2017-09-29) Cabrera Cabrera, Rafael; Molina Cantero, Alberto Jesús; Gómez González, Isabel María; Universidad de Sevilla. Departamento de Tecnología Electrónica
Técnicas de minería de datos en el proceso de secuencias temporales. Aplicaciones a la clasificación industrial de sonidos
(2017-07-12) Romero-Lemos, Javier; Carrasco Muñoz, Alejandro; Luque Sendra, Amalia; Universidad de Sevilla. Departamento de Tecnología Electrónica
El proceso de secuencias temporales supone un campo de trabajo específico dentro de las técnicas de minería de datos o aprendizaje automático. Entre las tareas de esta disciplina se encuentra la clasificación de secuencias temporales que, por su especificidad, admite el uso de tratamientos diferenciados. Entre los datos con estructura de secuencia temporal pueden destacarse las señales sonoras. Existen numerosas aplicaciones en las que resulta de utilidad la clasificación automatizada de sonidos. En muchas de ellas se requiere que la solución propuesta tenga unas características que podríamos calificar de industriales: robustez, inmunidad al ruido, normalización, operación en tiempo real, bajo consumo y bajo coste. En esta tesis se analizan y comparan distintos métodos de clasificación de sonidos. Para ello, se segmentan los sonidos en fragmentos (ventanas) de muy corta duración y se propone el uso del estándar ISO MPEG-7, cuya aplicación permite obtener un conjunto normalizado de parámetros. Se consideran hasta nueve algoritmos de clasificación que, tomando como patrones distintos sonidos de clases conocidas, realizan una clasificación supervisada sin tener en cuenta el carácter secuencial de las mismas (clasificación no secuencial). Para tener en cuenta el carácter secuencial de los sonidos se proponen y comparan distintos métodos (clasificación secuencial). Para pasar de la clasificación de una ventana, o secuencia de ventanas, a la clasificación de un sonido completo la presente investigación propone una clasificación de series derivadas. Se define una serie (vectorial) derivada como la secuencia de probabilidades de que cada ventana pertenezca a una determinada clase. Se propone la caracterización de las series derivadas como si se tratase de sonidos, es decir, mediante la caracterización de cada uno de sus ventanas usando parámetros MPEG-7 y su posterior clasificación supervisada usando alguno de los algoritmos clasificadores propios de la minería de datos. El resultado del análisis realizado permite afirmar que el uso de los parámetros MPEG-7 constituye una buena alternativa para caracterizar sonidos. En la aplicación analizada el mejor clasificador no secuencial ha resultado ser el árbol de decisión. Por otra parte, la introducción de un método de ventana deslizante aparece como la mejor opción de clasificación secuencial, aunque con una mejora muy discreta sobre la técnica no secuencial. Adicionalmente, se ha podido evidenciar que la clasificación de las series derivadas supone una mejora muy notable en las prestaciones del clasificador. Por último, se ha comprobado que la solución propuesta presenta las características adecuadas para poder proclamar su carácter industrial.

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