Distributed collaborative processing in wireless sensor networks with application to target localization and beamforming

Abstract The proliferation of wireless sensor networks and the variety of envisioned applications associated with them has motivated the development of distributed algorithms for collaborative processing over networked systems. One of the applications that has attracted the attention of the researchers is that of target localization where the nodes of the network try to estimate the position of an unknown target that lies within its coverage area. Particularly challenging is the problem of estimating the target’s position when we use received signal strength indicator (RSSI) due to the nonlinear relationship between the measured signal and the true position of the target. Many of the existing approaches suffer either from high computational complexity (e.g., particle filters) or lack of accuracy. Further, many of the proposed solutions are centralized which make their application to a sensor network questionable. Depending on the application at hand and, from a practical perspective it could be convenient to find a balance between localization accuracy and complexity. Into this direction we approach the maximum likelihood location estimation problem by solving a suboptimal (and more tractable) problem. One of the main advantages of the proposed scheme is that it allows for a decentralized implementation using distributed processing tools (e.g., consensus and convex optimization) and therefore, it is very suitable to be implemented in real sensor networks. If further accuracy is needed an additional refinement step could be performed around the found solution. Under the assumption of independent noise among the nodes such local search can be done in a fully distributed way using a distributed version of the Gauss-Newton method based on consensus. Regardless of the underlying application or function of the sensor network it is al¬ways necessary to have a mechanism for data reporting. While some approaches use a special kind of nodes (called sink nodes) for data harvesting and forwarding to the outside world, there are however some scenarios where such an approach is impractical or even impossible to deploy. Further, such sink nodes become a bottleneck in terms of traffic flow and power consumption. To overcome these issues instead of using sink nodes for data reporting one could use collaborative beamforming techniques to forward directly the generated data to a base station or gateway to the outside world. In a dis-tributed environment like a sensor network nodes cooperate in order to form a virtual antenna array that can exploit the benefits of multi-antenna communications. In col-laborative beamforming nodes synchronize their phases in order to add constructively at the receiver. Some of the inconveniences associated with collaborative beamforming techniques is that there is no control over the radiation pattern since it is treated as a random quantity. This may cause interference to other coexisting systems and fast bat-tery depletion at the nodes. Since energy-efficiency is a major design issue we consider the development of a distributed collaborative beamforming scheme that maximizes the network lifetime while meeting some quality of service (QoS) requirement at the re¬ceiver side. Using local information about battery status and channel conditions we find distributed algorithms that converge to the optimal centralized beamformer. While in the first part we consider only battery depletion due to communications beamforming, we extend the model to account for more realistic scenarios by the introduction of an additional random energy consumption. It is shown how the new problem generalizes the original one and under which conditions it is easily solvable. By formulating the problem under the energy-efficiency perspective the network’s lifetime is significantly improved. Resumen La proliferación de las redes inalámbricas de sensores junto con la gran variedad de posi¬bles aplicaciones relacionadas, han motivado el desarrollo de herramientas y algoritmos necesarios para el procesado cooperativo en sistemas distribuidos. Una de las aplicaciones que suscitado mayor interés entre la comunidad científica es la de localization, donde el conjunto de nodos de la red intenta estimar la posición de un blanco localizado dentro de su área de cobertura. El problema de la localization es especialmente desafiante cuando se usan niveles de energía de la seal recibida (RSSI por sus siglas en inglés) como medida para la localization. El principal inconveniente reside en el hecho que el nivel de señal recibida no sigue una relación lineal con la posición del blanco. Muchas de las soluciones actuales al problema de localization usando RSSI se basan en complejos esquemas centralizados como filtros de partículas, mientas que en otras se basan en esquemas mucho más simples pero con menor precisión. Además, en muchos casos las estrategias son centralizadas lo que resulta poco prácticos para su implementación en redes de sensores. Desde un punto de vista práctico y de implementation, es conveniente, para ciertos escenarios y aplicaciones, el desarrollo de alternativas que ofrezcan un compromiso entre complejidad y precisión. En esta línea, en lugar de abordar directamente el problema de la estimación de la posición del blanco bajo el criterio de máxima verosimilitud, proponemos usar una formulación subóptima del problema más manejable analíticamente y que ofrece la ventaja de permitir en¬contrar la solución al problema de localization de una forma totalmente distribuida, convirtiéndola así en una solución atractiva dentro del contexto de redes inalámbricas de sensores. Para ello, se usan herramientas de procesado distribuido como los algorit¬mos de consenso y de optimización convexa en sistemas distribuidos. Para aplicaciones donde se requiera de un mayor grado de precisión se propone una estrategia que con¬siste en la optimización local de la función de verosimilitud entorno a la estimación inicialmente obtenida. Esta optimización se puede realizar de forma descentralizada usando una versión basada en consenso del método de Gauss-Newton siempre y cuando asumamos independencia de los ruidos de medida en los diferentes nodos. Independientemente de la aplicación subyacente de la red de sensores, es necesario tener un mecanismo que permita recopilar los datos provenientes de la red de sensores. Una forma de hacerlo es mediante el uso de uno o varios nodos especiales, llamados nodos “sumidero”, (sink en inglés) que actúen como centros recolectores de información y que estarán equipados con hardware adicional que les permita la interacción con el exterior de la red. La principal desventaja de esta estrategia es que dichos nodos se convierten en cuellos de botella en cuanto a tráfico y capacidad de cálculo. Como alter¬nativa se pueden usar técnicas cooperativas de conformación de haz (beamforming en inglés) de manera que el conjunto de la red puede verse como un único sistema virtual de múltiples antenas y, por tanto, que exploten los beneficios que ofrecen las comu¬nicaciones con múltiples antenas. Para ello, los distintos nodos de la red sincronizan sus transmisiones de manera que se produce una interferencia constructiva en el recep¬tor. No obstante, las actuales técnicas se basan en resultados promedios y asintóticos, cuando el número de nodos es muy grande. Para una configuración específica se pierde el control sobre el diagrama de radiación causando posibles interferencias sobre sis¬temas coexistentes o gastando más potencia de la requerida. La eficiencia energética es una cuestión capital en las redes inalámbricas de sensores ya que los nodos están equipados con baterías. Es por tanto muy importante preservar la batería evitando cambios innecesarios y el consecuente aumento de costes. Bajo estas consideraciones, se propone un esquema de conformación de haz que maximice el tiempo de vida útil de la red, entendiendo como tal el máximo tiempo que la red puede estar operativa garantizando unos requisitos de calidad de servicio (QoS por sus siglas en inglés) que permitan una decodificación fiable de la señal recibida en la estación base. Se proponen además algoritmos distribuidos que convergen a la solución centralizada. Inicialmente se considera que la única causa de consumo energético se debe a las comunicaciones con la estación base. Este modelo de consumo energético es modificado para tener en cuenta otras formas de consumo de energía derivadas de procesos inherentes al funcionamiento de la red como la adquisición y procesado de datos, las comunicaciones locales entre nodos, etc. Dicho consumo adicional de energía se modela como una variable aleatoria en cada nodo. Se cambia por tanto, a un escenario probabilístico que generaliza el caso determinista y se proporcionan condiciones bajo las cuales el problema se puede resolver de forma eficiente. Se demuestra que el tiempo de vida de la red mejora de forma significativa usando el criterio propuesto de eficiencia energética.

Detecting unknown attacks in wireless sensor networks that contain mobile nodes

As wireless sensor networks are usually deployed in unattended areas, security policies cannot be updated in a timely fashion upon identification of new attacks. This gives enough time for attackers to cause significant damage. Thus, it is of great importance to provide protection from unknown attacks. However, existing solutions are mostly concentrated on known attacks. On the other hand, mobility can make the sensor network more resilient to failures, reactive to events, and able to support disparate missions with a common set of sensors, yet the problem of security becomes more complicated. In order to address the issue of security in networks with mobile nodes, we propose a machine learning solution for anomaly detection along with the feature extraction process that tries to detect temporal and spatial inconsistencies in the sequences of sensed values and the routing paths used to forward these values to the base station. We also propose a special way to treat mobile nodes, which is the main novelty of this work. The data produced in the presence of an attacker are treated as outliers, and detected using clustering techniques. These techniques are further coupled with a reputation system, in this way isolating compromised nodes in timely fashion. The proposal exhibits good performances at detecting and confining previously unseen attacks, including the cases when mobile nodes are compromised.

A novel methodology for planning reliable wireless sensor networks

Wireless sensor networks (WSNs) have shown their potentials in various applications, which bring a lot of benefits to users from both research and industrial areas. For many setups, it is envisioned thatWSNs will consist of tens to hundreds of nodes that operate on small batteries. However due to the diversity of the deployed environments and resource constraints on radio communication, sensing ability and energy supply, it is a very challenging issue to plan optimized WSN topology and predict its performance before real deployment. During the network planning phase, the connectivity, coverage, cost, network longevity and service quality should all be considered. Therefore it requires designers coping with comprehensive and interdisciplinary knowledge, including networking, radio engineering, embedded system and so on, in order to efficiently construct a reliable WSN for any specific types of environment. Nowadays there is still a lack of the analysis and experiences to guide WSN designers to efficiently construct WSN topology successfully without many trials. Therefore, simulation is a feasible approach to the quantitative analysis of the performance of wireless sensor networks. However the existing planning algorithms and tools, to some extent, have serious limitations to practically design reliable WSN topology: Only a few of them tackle the 3D deployment issue, and an overwhelming number of works are proposed to place devices in 2D scheme. Without considering the full dimension, the impacts of environment to the performance of WSN are not completely studied, thus the values of evaluated metrics such as connectivity and sensing coverage are not sufficiently accurate to make proper decision. Even fewer planning methods model the sensing coverage and radio propagation by considering the realistic scenario where obstacles exist. Radio signals propagate with multi-path phenomenon in the real world, in which direct paths, reflected paths and diffracted paths contribute to the received signal strength. Besides, obstacles between the path of sensor and objects might block the sensing signals, thus create coverage hole in the application. None of the existing planning algorithms model the network longevity and packet delivery capability properly and practically. They often employ unilateral and unrealistic formulations. The optimization targets are often one-sided in the current works. Without comprehensive evaluation on the important metrics, the performance of planned WSNs can not be reliable and entirely optimized. Modeling of environment is usually time consuming and the cost is very high, while none of the current works figure out any method to model the 3D deployment environment efficiently and accurately. Therefore many researchers are trapped by this issue, and their algorithms can only be evaluated in the same scenario, without the possibility to test the robustness and feasibility for implementations in different environments. In this thesis, we propose a novel planning methodology and an intelligent WSN planning tool to assist WSN designers efficiently planning reliable WSNs. First of all, a new method is proposed to efficiently and automatically model the 3D indoor and outdoor environments. To the best of our knowledge, this is the first time that the advantages of image understanding algorithm are applied to automatically reconstruct 3D outdoor and indoor scenarios for signal propagation and network planning purpose. The experimental results indicate that the proposed methodology is able to accurately recognize different objects from the satellite images of the outdoor target regions and from the scanned floor plan of indoor area. Its mechanism offers users a flexibility to reconstruct different types of environment without any human interaction. Thereby it significantly reduces human efforts, cost and time spent on reconstructing a 3D geographic database and allows WSN designers concentrating on the planning issues. Secondly, an efficient ray-tracing engine is developed to accurately and practically model the radio propagation and sensing signal on the constructed 3D map. The engine contributes on efficiency and accuracy to the estimated results. By using image processing concepts, including the kd-tree space division algorithm and modified polar sweep algorithm, the rays are traced efficiently without detecting all the primitives in the scene. The radio propagation model iv is proposed, which emphasizes not only the materials of obstacles but also their locations along the signal path. The sensing signal of sensor nodes, which is sensitive to the obstacles, is benefit from the ray-tracing algorithm via obstacle detection. The performance of this modelling method is robust and accurate compared with conventional methods, and experimental results imply that this methodology is suitable for both outdoor urban scenes and indoor environments. Moreover, it can be applied to either GSM communication or ZigBee protocol by varying frequency parameter of the radio propagation model. Thirdly, WSN planning method is proposed to tackle the above mentioned challenges and efficiently deploy reliable WSNs. More metrics (connectivity, coverage, cost, lifetime, packet latency and packet drop rate) are modeled more practically compared with other works. Especially 3D ray tracing method is used to model the radio link and sensing signal which are sensitive to the obstruction of obstacles; network routing is constructed by using AODV protocol; the network longevity, packet delay and packet drop rate are obtained via simulating practical events in WSNet simulator, which to the best of our knowledge, is the first time that network simulator is involved in a planning algorithm. Moreover, a multi-objective optimization algorithm is developed to cater for the characteristics of WSNs. The capability of providing multiple optimized solutions simultaneously allows users making their own decisions accordingly, and the results are more comprehensively optimized compared with other state-of-the-art algorithms. iMOST is developed by integrating the introduced algorithms, to assist WSN designers efficiently planning reliable WSNs for different configurations. The abbreviated name iMOST stands for an Intelligent Multi-objective Optimization Sensor network planning Tool. iMOST contributes on: (1) Convenient operation with a user-friendly vision system; (2) Efficient and automatic 3D database reconstruction and fast 3D objects design for both indoor and outdoor environments; (3) It provides multiple multi-objective optimized 3D deployment solutions and allows users to configure the network properties, hence it can adapt to various WSN applications; (4) Deployment solutions in the 3D space and the corresponding evaluated performance are visually presented to users; and (5) The Node Placement Module of iMOST is available online as well as the source code of the other two rebuilt heuristics. Therefore WSN designers will be benefit from v this tool on efficiently constructing environment database, practically and efficiently planning reliable WSNs for both outdoor and indoor applications. With the open source codes, they are also able to compare their developed algorithms with ours to contribute to this academic field. Finally, solid real results are obtained for both indoor and outdoor WSN planning. Deployments have been realized for both indoor and outdoor environments based on the provided planning solutions. The measured results coincide well with the estimated results. The proposed planning algorithm is adaptable according to the WSN designer’s desirability and configuration, and it offers flexibility to plan small and large scale, indoor and outdoor 3D deployments. The thesis is organized in 7 chapters. In Chapter 1, WSN applications and motivations of this work are introduced, the state-of-the-art planning algorithms and tools are reviewed, challenges are stated out and the proposed methodology is briefly introduced. In Chapter 2, the proposed 3D environment reconstruction methodology is introduced and its performance is evaluated for both outdoor and indoor environment. The developed ray-tracing engine and proposed radio propagation modelling method are described in details in Chapter 3, their performances are evaluated in terms of computation efficiency and accuracy. Chapter 4 presents the modelling of important metrics of WSNs and the proposed multi-objective optimization planning algorithm, the performance is compared with the other state-of-the-art planning algorithms. The intelligent WSN planning tool iMOST is described in Chapter 5. RealWSN deployments are prosecuted based on the planned solutions for both indoor and outdoor scenarios, important data are measured and results are analysed in Chapter 6. Chapter 7 concludes the thesis and discusses about future works. vi Resumen en Castellano Las redes de sensores inalámbricas (en inglés Wireless Sensor Networks, WSNs) han demostrado su potencial en diversas aplicaciones que aportan una gran cantidad de beneficios para el campo de la investigación y de la industria. Para muchas configuraciones se prevé que las WSNs consistirán en decenas o cientos de nodos que funcionarán con baterías pequeñas. Sin embargo, debido a la diversidad de los ambientes para desplegar las redes y a las limitaciones de recursos en materia de comunicación de radio, capacidad de detección y suministro de energía, la planificación de la topología de la red y la predicción de su rendimiento es un tema muy difícil de tratar antes de la implementación real. Durante la fase de planificación del despliegue de la red se deben considerar aspectos como la conectividad, la cobertura, el coste, la longevidad de la red y la calidad del servicio. Por lo tanto, requiere de diseñadores con un amplio e interdisciplinario nivel de conocimiento que incluye la creación de redes, la ingeniería de radio y los sistemas embebidos entre otros, con el fin de construir de manera eficiente una WSN confiable para cualquier tipo de entorno. Hoy en día todavía hay una falta de análisis y experiencias que orienten a los diseñadores de WSN para construir las topologías WSN de manera eficiente sin realizar muchas pruebas. Por lo tanto, la simulación es un enfoque viable para el análisis cuantitativo del rendimiento de las redes de sensores inalámbricos. Sin embargo, los algoritmos y herramientas de planificación existentes tienen, en cierta medida, serias limitaciones para diseñar en la práctica una topología fiable de WSN: Sólo unos pocos abordan la cuestión del despliegue 3D mientras que existe una gran cantidad de trabajos que colocan los dispositivos en 2D. Si no se analiza la dimensión completa (3D), los efectos del entorno en el desempeño de WSN no se estudian por completo, por lo que los valores de los parámetros evaluados, como la conectividad y la cobertura de detección, no son lo suficientemente precisos para tomar la decisión correcta. Aún en menor medida los métodos de planificación modelan la cobertura de los sensores y la propagación de la señal de radio teniendo en cuenta un escenario realista donde existan obstáculos. Las señales de radio en el mundo real siguen una propagación multicamino, en la que los caminos directos, los caminos reflejados y los caminos difractados contribuyen a la intensidad de la señal recibida. Además, los obstáculos entre el recorrido del sensor y los objetos pueden bloquear las señales de detección y por lo tanto crear áreas sin cobertura en la aplicación. Ninguno de los algoritmos de planificación existentes modelan el tiempo de vida de la red y la capacidad de entrega de paquetes correctamente y prácticamente. A menudo se emplean formulaciones unilaterales y poco realistas. Los objetivos de optimización son a menudo tratados unilateralmente en los trabajos actuales. Sin una evaluación exhaustiva de los parámetros importantes, el rendimiento previsto de las redes inalámbricas de sensores no puede ser fiable y totalmente optimizado. Por lo general, el modelado del entorno conlleva mucho tiempo y tiene un coste muy alto, pero ninguno de los trabajos actuales propone algún método para modelar el entorno de despliegue 3D con eficiencia y precisión. Por lo tanto, muchos investigadores están limitados por este problema y sus algoritmos sólo se pueden evaluar en el mismo escenario, sin la posibilidad de probar la solidez y viabilidad para las implementaciones en diferentes entornos. En esta tesis, se propone una nueva metodología de planificación así como una herramienta inteligente de planificación de redes de sensores inalámbricas para ayudar a los diseñadores a planificar WSNs fiables de una manera eficiente. En primer lugar, se propone un nuevo método para modelar demanera eficiente y automática los ambientes interiores y exteriores en 3D. Según nuestros conocimientos hasta la fecha, esta es la primera vez que las ventajas del algoritmo de _image understanding_se aplican para reconstruir automáticamente los escenarios exteriores e interiores en 3D para analizar la propagación de la señal y viii la planificación de la red. Los resultados experimentales indican que la metodología propuesta es capaz de reconocer con precisión los diferentes objetos presentes en las imágenes satelitales de las regiones objetivo en el exterior y de la planta escaneada en el interior. Su mecanismo ofrece a los usuarios la flexibilidad para reconstruir los diferentes tipos de entornos sin ninguna interacción humana. De este modo se reduce considerablemente el esfuerzo humano, el coste y el tiempo invertido en la reconstrucción de una base de datos geográfica con información 3D, permitiendo así que los diseñadores se concentren en los temas de planificación. En segundo lugar, se ha desarrollado un motor de trazado de rayos (en inglés ray tracing) eficiente para modelar con precisión la propagación de la señal de radio y la señal de los sensores en el mapa 3D construido. El motor contribuye a la eficiencia y la precisión de los resultados estimados. Mediante el uso de los conceptos de procesamiento de imágenes, incluyendo el algoritmo del árbol kd para la división del espacio y el algoritmo _polar sweep_modificado, los rayos se trazan de manera eficiente sin la detección de todas las primitivas en la escena. El modelo de propagación de radio que se propone no sólo considera los materiales de los obstáculos, sino también su ubicación a lo largo de la ruta de señal. La señal de los sensores de los nodos, que es sensible a los obstáculos, se ve beneficiada por la detección de objetos llevada a cabo por el algoritmo de trazado de rayos. El rendimiento de este método de modelado es robusto y preciso en comparación con los métodos convencionales, y los resultados experimentales indican que esta metodología es adecuada tanto para escenas urbanas al aire libre como para ambientes interiores. Por otra parte, se puede aplicar a cualquier comunicación GSM o protocolo ZigBee mediante la variación de la frecuencia del modelo de propagación de radio. En tercer lugar, se propone un método de planificación de WSNs para hacer frente a los desafíos mencionados anteriormente y desplegar redes de sensores fiables de manera eficiente. Se modelan más parámetros (conectividad, cobertura, coste, tiempo de vida, la latencia de paquetes y tasa de caída de paquetes) en comparación con otros trabajos. Especialmente el método de trazado de rayos 3D se utiliza para modelar el enlace de radio y señal de los sensores que son sensibles a la obstrucción de obstáculos; el enrutamiento de la red se construye utilizando el protocolo AODV; la longevidad de la red, retardo de paquetes ix y tasa de abandono de paquetes se obtienen a través de la simulación de eventos prácticos en el simulador WSNet, y según nuestros conocimientos hasta la fecha, es la primera vez que simulador de red está implicado en un algoritmo de planificación. Por otra parte, se ha desarrollado un algoritmo de optimización multi-objetivo para satisfacer las características de las redes inalámbricas de sensores. La capacidad de proporcionar múltiples soluciones optimizadas de forma simultánea permite a los usuarios tomar sus propias decisiones en consecuencia, obteniendo mejores resultados en comparación con otros algoritmos del estado del arte. iMOST se desarrolla mediante la integración de los algoritmos presentados, para ayudar de forma eficiente a los diseñadores en la planificación de WSNs fiables para diferentes configuraciones. El nombre abreviado iMOST (Intelligent Multi-objective Optimization Sensor network planning Tool) representa una herramienta inteligente de planificación de redes de sensores con optimización multi-objetivo. iMOST contribuye en: (1) Operación conveniente con una interfaz de fácil uso, (2) Reconstrucción eficiente y automática de una base de datos con información 3D y diseño rápido de objetos 3D para ambientes interiores y exteriores, (3) Proporciona varias soluciones de despliegue optimizadas para los multi-objetivo en 3D y permite a los usuarios configurar las propiedades de red, por lo que puede adaptarse a diversas aplicaciones de WSN, (4) las soluciones de implementación en el espacio 3D y el correspondiente rendimiento evaluado se presentan visualmente a los usuarios, y (5) El _Node Placement Module_de iMOST está disponible en línea, así como el código fuente de las otras dos heurísticas de planificación. Por lo tanto los diseñadores WSN se beneficiarán de esta herramienta para la construcción eficiente de la base de datos con información del entorno, la planificación práctica y eficiente de WSNs fiables tanto para aplicaciones interiores y exteriores. Con los códigos fuente abiertos, son capaces de comparar sus algoritmos desarrollados con los nuestros para contribuir a este campo académico. Por último, se obtienen resultados reales sólidos tanto para la planificación de WSN en interiores y exteriores. Los despliegues se han realizado tanto para ambientes de interior y como para ambientes de exterior utilizando las soluciones de planificación propuestas. Los resultados medidos coinciden en gran medida con los resultados estimados. El algoritmo de planificación x propuesto se adapta convenientemente al deiseño de redes de sensores inalámbricas, y ofrece flexibilidad para planificar los despliegues 3D a pequeña y gran escala tanto en interiores como en exteriores. La tesis se estructura en 7 capítulos. En el Capítulo 1, se presentan las aplicaciones de WSN y motivaciones de este trabajo, se revisan los algoritmos y herramientas de planificación del estado del arte, se presentan los retos y se describe brevemente la metodología propuesta. En el Capítulo 2, se presenta la metodología de reconstrucción de entornos 3D propuesta y su rendimiento es evaluado tanto para espacios exteriores como para espacios interiores. El motor de trazado de rayos desarrollado y el método de modelado de propagación de radio propuesto se describen en detalle en el Capítulo 3, evaluándose en términos de eficiencia computacional y precisión. En el Capítulo 4 se presenta el modelado de los parámetros importantes de las WSNs y el algoritmo de planificación de optimización multi-objetivo propuesto, el rendimiento se compara con los otros algoritmos de planificación descritos en el estado del arte. La herramienta inteligente de planificación de redes de sensores inalámbricas, iMOST, se describe en el Capítulo 5. En el Capítulo 6 se llevan a cabo despliegues reales de acuerdo a las soluciones previstas para los escenarios interiores y exteriores, se miden los datos importantes y se analizan los resultados. En el Capítulo 7 se concluye la tesis y se discute acerca de los trabajos futuros.

A 3D multi-objective optimization planning algorithm for wireless sensor networks

The complexity of planning a wireless sensor network is dependent on the aspects of optimization and on the application requirements. Even though Murphy's Law is applied everywhere in reality, a good planning algorithm will assist the designers to be aware of the short plates of their design and to improve them before the problems being exposed at the real deployment. A 3D multi-objective planning algorithm is proposed in this paper to provide solutions on the locations of nodes and their properties. It employs a developed ray-tracing scheme for sensing signal and radio propagation modelling. Therefore it is sensitive to the obstacles and makes the models of sensing coverage and link quality more practical compared with other heuristics that use ideal unit-disk models. The proposed algorithm aims at reaching an overall optimization on hardware cost, coverage, link quality and lifetime. Thus each of those metrics are modelled and normalized to compose a desirability function. Evolutionary algorithm is designed to efficiently tackle this NP-hard multi-objective optimization problem. The proposed algorithm is applicable for both indoor and outdoor 3D scenarios. Different parameters that affect the performance are analyzed through extensive experiments; two state-of-the-art algorithms are rebuilt and tested with the same configuration as that of the proposed algorithm. The results indicate that the proposed algorithm converges efficiently within 600 iterations and performs better than the compared heuristics.

Integration of low-cost supervisory mobile robots in domestic wireless sensor networks

This paper presents a communication interface between supervisory low-cost mobile robots and domestic Wireless Sensor Network (WSN) based on the Zig Bee protocol from different manufacturers. The communication interface allows control and communication with other network devices using the same protocol. The robot can receive information from sensor devices (temperature, humidity, luminosity) and send commands to actuator devices (lights, shutters, thermostats) from different manufacturers. The architecture of the system, the interfaces and devices needed to establish the communication are described in the paper.

The Balanced Cross-Layer Design Routing Algorithm in Wireless Sensor Networks Using Fuzzy Logic

Recently, the cross-layer design for the wireless sensor network communication protocol has become more and more important and popular. Considering the disadvantages of the traditional cross-layer routing algorithms, in this paper we propose a new fuzzy logic-based routing algorithm, named the Balanced Cross-layer Fuzzy Logic (BCFL) routing algorithm. In BCFL, we use the cross-layer parameters’ dispersion as the fuzzy logic inference system inputs. Moreover, we give each cross-layer parameter a dynamic weight according the value of the dispersion. For getting a balanced solution, the parameter whose dispersion is large will have small weight, and vice versa. In order to compare it with the traditional cross-layer routing algorithms, BCFL is evaluated through extensive simulations. The simulation results show that the new routing algorithm can handle the multiple constraints without increasing the complexity of the algorithm and can achieve the most balanced performance on selecting the next hop relay node. Moreover, the Balanced Cross-layer Fuzzy Logic routing algorithm can adapt to the dynamic changing of the network conditions and topology effectively.

The counteractive effect of the sensor housing on the unit sensitivity across a series of dynamic temperature profiles.

The advantages of wireless sensing implemented on the cold chain of fresh products are well known. These sensor systems consist of a combination of delicate internal electronic circuitry enclosed in a special housing unit. Manufacturers however are presented with the challenge that the housing required to withstand the harsh environment in which the sensors are being used all too often take from the functionality of the sensor. Therefore the target of this study is to determine the dynamic behavior and the counteractive effects of the sensor housing on temperature recording accuracy in the wireless nodes of Wireless Sensor Network (WSN) and Radio Frequency Identification (RFID) semi-passive tags. Two kind of semi-passive Turbo Tags were used (T700 and T702-B), which consisted of sensors with and without a cover, and two kind of WSN nodes, IRIS (sensors Intersema and Sensirion soldered in the motherboard) and NLAZA (Sensirion in a cable and soldered to the motherboard). To recreate the temperature profiles the devices were rotated between a cold room(5 ºC) through a ambient room(23 ºC) to a heated environment (35ºC) and vice versa. Analysis revealed the differences between housing and no housing are 308.22s to 21.99s respectively in the step from 5 to 35 ºC. As is demonstrated in these experiments the influence of the housing significantly hinders sensor accuracy.

Generating Automated News to Explain the Meaning of Sensor Data

An important competence of human data analysts is to interpret and explain the meaning of the results of data analysis to end-users. However, existing automatic solutions for intelligent data analysis provide limited help to interpret and communicate information to non-expert users. In this paper we present a general approach to generating explanatory descriptions about the meaning of quantitative sensor data. We propose a type of web application: a virtual newspaper with automatically generated news stories that describe the meaning of sensor data. This solution integrates a variety of techniques from intelligent data analysis into a web-based multimedia presentation system. We validated our approach in a real world problem and demonstrate its generality using data sets from several domains. Our experience shows that this solution can facilitate the use of sensor data by general users and, therefore, can increase the utility of sensor network infrastructures.

Semantic middleware development for the Internet of Things

After the extraordinary spread of the World Wide Web during the last fifteen years, engineers and developers are pushing now the Internet to its next border. A new conception in computer science and networks communication has been burgeoning during roughly the last decade: a world where most of the computers of the future will be extremely downsized, to the point that they will look like dust at its most advanced prototypes. In this vision, every single element of our “real” world has an intelligent tag that carries all their relevant data, effectively mapping the “real” world into a “virtual” one, where all the electronically augmented objects are present, can interact among them and influence with their behaviour that of the other objects, or even the behaviour of a final human user. This is the vision of the Internet of the Future, which also draws ideas of several novel tendencies in computer science and networking, as pervasive computing and the Internet of Things. As it has happened before, materializing a new paradigm that changes the way entities interrelate in this new environment has proved to be a goal full of challenges in the way. Right now the situation is exciting, with a plethora of new developments, proposals and models sprouting every time, often in an uncoordinated, decentralised manner away from any standardization, resembling somehow the status quo of the first developments of advanced computer networking, back in the 60s and the 70s. Usually, a system designed after the Internet of the Future will consist of one or several final user devices attached to these final users, a network –often a Wireless Sensor Network- charged with the task of collecting data for the final user devices, and sometimes a base station sending the data for its further processing to less hardware-constrained computers. When implementing a system designed with the Internet of the Future as a pattern, issues, and more specifically, limitations, that must be faced are numerous: lack of standards for platforms and protocols, processing bottlenecks, low battery lifetime, etc. One of the main objectives of this project is presenting a functional model of how a system based on the paradigms linked to the Internet of the Future works, overcoming some of the difficulties that can be expected and showing a model for a middleware architecture specifically designed for a pervasive, ubiquitous system. This Final Degree Dissertation is divided into several parts. Beginning with an Introduction to the main topics and concepts of this new model, a State of the Art is offered so as to provide a technological background. After that, an example of a semantic and service-oriented middleware is shown; later, a system built by means of this semantic and service-oriented middleware, and other components, is developed, justifying its placement in a particular scenario, describing it and analysing the data obtained from it. Finally, the conclusions inferred from this system and future works that would be good to be tackled are mentioned as well. RESUMEN Tras el extraordinario desarrollo de la Web durante los últimos quince años, ingenieros y desarrolladores empujan Internet hacia su siguiente frontera. Una nueva concepción en la computación y la comunicación a través de las redes ha estado floreciendo durante la última década; un mundo donde la mayoría de los ordenadores del futuro serán extremadamente reducidas de tamaño, hasta el punto que parecerán polvo en sus más avanzado prototipos. En esta visión, cada uno de los elementos de nuestro mundo “real” tiene una etiqueta inteligente que porta sus datos relevantes, mapeando de manera efectiva el mundo “real” en uno “virtual”, donde todos los objetos electrónicamente aumentados están presentes, pueden interactuar entre ellos e influenciar con su comportamiento el de los otros, o incluso el comportamiento del usuario final humano. Ésta es la visión del Internet del Futuro, que también toma ideas de varias tendencias nuevas en las ciencias de la computación y las redes de ordenadores, como la computación omnipresente y el Internet de las Cosas. Como ha sucedido antes, materializar un nuevo paradigma que cambia la manera en que las entidades se interrelacionan en este nuevo entorno ha demostrado ser una meta llena de retos en el camino. Ahora mismo la situación es emocionante, con una plétora de nuevos desarrollos, propuestas y modelos brotando todo el rato, a menudo de una manera descoordinada y descentralizada lejos de cualquier estandarización, recordando de alguna manera el estado de cosas de los primeros desarrollos de redes de ordenadores avanzadas, allá por los años 60 y 70. Normalmente, un sistema diseñado con el Internet del futuro como modelo consistirá en uno o varios dispositivos para usuario final sujetos a estos usuarios finales, una red –a menudo, una red de sensores inalámbricos- encargada de recolectar datos para los dispositivos de usuario final, y a veces una estación base enviando los datos para su consiguiente procesado en ordenadores menos limitados en hardware. Al implementar un sistema diseñado con el Internet del futuro como patrón, los problemas, y más específicamente, las limitaciones que deben enfrentarse son numerosas: falta de estándares para plataformas y protocolos, cuellos de botella en el procesado, bajo tiempo de vida de las baterías, etc. Uno de los principales objetivos de este Proyecto Fin de Carrera es presentar un modelo funcional de cómo trabaja un sistema basado en los paradigmas relacionados al Internet del futuro, superando algunas de las dificultades que pueden esperarse y mostrando un modelo de una arquitectura middleware específicamente diseñado para un sistema omnipresente y ubicuo. Este Proyecto Fin de Carrera está dividido en varias partes. Empezando por una introducción a los principales temas y conceptos de este modelo, un estado del arte es ofrecido para proveer un trasfondo tecnológico. Después de eso, se muestra un ejemplo de middleware semántico orientado a servicios; después, se desarrolla un sistema construido por medio de este middleware semántico orientado a servicios, justificando su localización en un escenario particular, describiéndolo y analizando los datos obtenidos de él. Finalmente, las conclusiones extraídas de este sistema y las futuras tareas que sería bueno tratar también son mencionadas.

Redes y servicios ubicuos para Internet de las Cosas en dispositivos llevables

En las últimas décadas se han producido importantes avances tecnológicos, lo que ha producido un crecimiento importante de las Redes Inalámbricas de Sensores (RIS), conocidas en inglés como Wireless Sensor Networks (WSN). Estas redes están formadas por un conjunto de pequeños nodos o también, conocidos como motas, compuestos por diversos tipos de sensores. Las Redes Inalámbricas de Sensores pueden resultar muy útiles en entornos donde el despliegue de redes cableadas, formadas por ordenadores, encaminadores u otros dispositivos de red no sea posible. Sin embargo, este tipo de redes presentan una serie de carencias o problemas que dificultan, en ocasiones, su implementación y despliegue. Este Proyecto Fin de Carrera tiene como principales objetivos: diseñar e implementar un agente que haga uso de la tecnología Bluetooth para que se pueda comunicar tanto con la arquitectura orientada a servicios, vía radio, como con el módulo Bioharness para obtener parámetros fisiológicos; ofrecer una serie de servicios simples a la Red Inalámbrica de Sensores; diseñar un algoritmo para un sistema de alarmas; realizar e implementar una pasarela entre protocolos que usen el estándar IEEE802.15.4 (ZigBee) y el estándar IEEE802.15.1 de la Tecnología Bluetooth. Por último, implementar una aplicación Android para el reloj WiMM y que este pueda recibir alarmas en tiempo real a través del la Interfaz Bluetooth. Para lograr estos objetivos, en primer lugar realizaremos un estudio del Estado del Arte de las Redes Inalámbricas de Sensores, con el fin de estudiar su arquitectura, el estándar Bluetooth y los dispositivos Bluetooth que se han utilizado en este Proyecto. Seguidamente, describiremos detalladamente el firmware iWRAP versión 4, centrándonos en sus modos de operación, comandos AT y posibles errores que puedan ocurrir. A continuación, se describirá la arquitectura y la especificación nSOM, para adentrarnos en la arquitectura orientada a servicios. Por último, ejecutaremos la fase de validación del sistema y se analizarán los resultados obtenidos durante la fase de pruebas. ABSTRACT In last decades there have been significant advances in technology, which has resulted in important growth of Wireless Sensor Networks (WSN). These networks consist of a small set of nodes, also known as spots; equipped with various types of sensors. Wireless Sensor Networks can be very useful in environments where deployment of wired networks, formed by computers, routers or other network devices is not possible. However, these networks have a number of shortcomings or challenges to, sometimes, their implementation and deployment. The main objectives of this Final Project are to design and implement an agent that makes use of Bluetooth technology so you can communicate with both the service-oriented architecture, via radio, as with Bioharness module for physiological parameters; offer simple services to Wireless Sensor Network, designing an algorithm for an alarm system, make and implement a gateway between protocols using the standard IEEE802.15.4 (ZigBee) and IEEE802.15.1 standard Bluetooth Technology. Finally, implement an Android application for WiMM watch that can receive real-time alerts through the Bluetooth interface. In order to achieve these objectives, firstly we are going to carry out a study of the State of the Art in Wireless Sensor Network, where we study the architecture, the Bluetooth standard and Bluetooth devices that have been used in this project. Then, we will describe in detail the iWRAP firmware version 4, focusing on their operation modes, AT commands and errors that may occur. Therefore, we will describe the architecture and specification nSOM, to enter into the service-oriented architecture. Finally, we will execute the phase of validation of the system in a real application scenario, analyzing the results obtained during the testing phase.

Simulating Data Journalism to Communicate Hydrological Information from Sensor Networks

Presenting relevant information via web-based user friendly interfac- es makes the information more accessible to the general public. This is especial- ly useful for sensor networks that monitor natural environments. Adequately communicating this type of information helps increase awareness about the limited availability of natural resources and promotes their better use with sus- tainable practices. In this paper, I suggest an approach to communicating this information to wide audiences based on simulating data journalism using artifi- cial intelligence techniques. I analyze this approach by describing a pioneer knowledge-based system called VSAIH, which looks for news in hydrological data from a national sensor network in Spain and creates news stories that gen- eral users can understand. VSAIH integrates artificial intelligence techniques, including a model-based data analyzer and a presentation planner. In the paper, I also describe characteristics of the hydrological national sensor network and the technical solutions applied by VSAIH to simulate data journalism.

Deriving semantic sensor metadata from raw measurements

Sensor network deployments have become a primary source of big data about the real world that surrounds us, measuring a wide range of physical properties in real time. With such large amounts of heterogeneous data, a key challenge is to describe and annotate sensor data with high-level metadata, using and extending models, for instance with ontologies. However, to automate this task there is a need for enriching the sensor metadata using the actual observed measurements and extracting useful meta-information from them. This paper proposes a novel approach of characterization and extraction of semantic metadata through the analysis of sensor data raw observations. This approach consists in using approximations to represent the raw sensor measurements, based on distributions of the observation slopes, building a classi?cation scheme to automatically infer sensor metadata like the type of observed property, integrating the semantic analysis results with existing sensor networks metadata.

The DLMT hardware implementation. A comparative study with the DCT and the DWT

In the last recent years, with the popularity of image compression techniques, many architectures have been proposed. Those have been generally based on the Forward and Inverse Discrete Cosine Transform (FDCT, IDCT). Alternatively, compression schemes based on discrete "wavelets" transform (DWT), used, both, in JPEG2000 coding standard and in H264-SVC (Scalable Video Coding) standard, do not need to divide the image into non-overlapping blocks or macroblocks. This paper discusses the DLMT (Discrete Lopez-Moreno Transform) hardware implementation. It proposes a new scheme intermediate between the DCT and the DWT, comparing results of the most relevant proposed architectures for benchmarking. The DLMT can also be applied over a whole image, but this does not involve increasing computational complexity. FPGA implementation results show that the proposed DLMT has significant performance benefits and improvements comparing with the DCT and the DWT and consequently it is very suitable for implementation on WSN (Wireless Sensor Network) applications.

Simulador WKM para gestión de conocimiento en una WSN

La gestión del conocimiento (KM) se basa en la captación, filtración, procesamiento y análisis de unos datos en bruto que con dicho refinamiento podrán llegar a convertirse en conocimiento o Sabiduría. Estas prácticas tendrán lugar en este PFC en una WSN (Wireless Sensor Network) compuesta de unos sofisticados dispositivos comúnmente conocidos como “motas” y cuya principal característica son sus bajas capacidades en cuanto a memoria, batería o autonomía. Ha sido objetivo primordial de este Proyecto de fin de Carrera aunar una WSN con la Gestión del Conocimiento así como demostrar que es posible llevar a cabo grandes procesamientos de información, con tan bajas capacidades, si se distribuyen correctamente los procesos. En primera instancia, se introducen conceptos básicos acerca de las WSN (Wireless Sensor Networks) así como de los elementos principales en dichas redes. Tras conocer el modelo de arquitectura de comunicaciones se procede a presentar la Gestión del Conocimiento de forma teórica y a continuación la interpretación que se ha hecho a partir de diversas referencias bibliográficas para llevar a cabo la implementación del proyecto. El siguiente paso es describir punto por punto todos los componentes del Simulador; librerías, funcionamiento y demás cuestiones sobre configuración y puesta a punto. Como escenario de aplicación se plantea una red de sensores inalámbricos básica cuya topología y ubicación es completamente configurable. Se lleva a cabo una configuración a nivel de red basada en el protocolo 6LowPAN pero con posibilidad de simplificarlo. Los datos se procesan de acuerdo a un modelo piramidal de Gestión de Conocimiento adaptable a las necesidades del usuario. Mediante la utilización de las diversas opciones que proporciona la interfaz gráfica implementada y los documentos de resultados que se van generando, se puede llevar a cabo un detallado estudio posterior de la simulación y comprobar si se cumplen las expectativas planteadas. Knowledge management (KM) is based on the collection, filtering, processing and analysis of some raw data which such refinement it can be turned into knowledge or wisdom. These practices will take place in a WSN (Wireless Sensor Network) consists of sophisticated devices commonly known as "dots" and whose main characteristics are its low capacity for memory, battery or autonomy. A primary objective of this Project will be to join a WSN with Knowledge Management and show that it is possible make largo information processing, with such low capacity if the processes are properly distributed. First, we introduce basic concepts about the WSN (Wireless Sensor Networks) and major elements of these networks. After meeting the communications architecture model, we proceed to show the Knowledge Management theory and then the interpretation of several bibliographic references to carry out the project implementation. The next step is discovering point by point all over the Simulator components; libraries, operation and the rest of points about configuration and tuning. As application scenario we propose a basic wireless sensor network whose topology and location is completely customizable. It will perform a network level configuration based in W6LowPAN Protocol. Data is processed according to a pyramidal pattern Knowledge Management adaptable to the user´s needs. The hardware elements will suffer more or less energy dependence depending on their role and activity in the network. Through the various options that provide the graphical interface has been implemented and results documents that are generated, can be carried out after a detailed study of the simulation and verify compliance with the expectations raised.

Consolidation of a wsn and minimax method to rapidly neutralise intruders in strategic installations

Due to the sensitive international situation caused by still-recent terrorist attacks, there is a common need to protect the safety of large spaces such as government buildings, airports and power stations. To address this problem, developments in several research fields, such as video and cognitive audio, decision support systems, human interface, computer architecture, communications networks and communications security, should be integrated with the goal of achieving advanced security systems capable of checking all of the specified requirements and spanning the gap that presently exists in the current market. This paper describes the implementation of a decision system for crisis management in infrastructural building security. Specifically, it describes the implementation of a decision system in the management of building intrusions. The positions of the unidentified persons are reported with the help of a Wireless Sensor Network (WSN). The goal is to achieve an intelligent system capable of making the best decision in real time in order to quickly neutralise one or more intruders who threaten strategic installations. It is assumed that the intruders’ behaviour is inferred through sequences of sensors’ activations and their fusion. This article presents a general approach to selecting the optimum operation from the available neutralisation strategies based on a Minimax algorithm. The distances among different scenario elements will be used to measure the risk of the scene, so a path planning technique will be integrated in order to attain a good performance. Different actions to be executed over the elements of the scene such as moving a guard, blocking a door or turning on an alarm will be used to neutralise the crisis. This set of actions executed to stop the crisis is known as the neutralisation strategy. Finally, the system has been tested in simulations of real situations, and the results have been evaluated according to the final state of the intruders. In 86.5% of the cases, the system achieved the capture of the intruders, and in 59.25% of the cases, they were intercepted before they reached their objective.