Planning smart cities using wireless low energy monitoring systems

Thesis to obtain the Master Degree in Electronics and Telecommunications Engineering

WPAC: wireless payment and access control: dispositivos móveis no pagamento de serviços e controlo de acessos

A rápida evolução dos dispositivos móveis e das tecnologias de comunicação sem fios transformou o telemóvel num poderoso dispositivo de computação móvel. A necessidade de estar sempre contactável, comum à civilização moderna, tem aumentado a dependência deste dispositivo, sendo transportado pela maioria das pessoas num ambiente urbano e assumindo um papel talvez mais importante que a própria carteira. A ubiquidade e capacidade de computação dos telemóveis aumentam o interesse no desenvolvimento de serviços móveis, além de tradicionais serviços de voz. Um telemóvel pode em breve tornar-se um elemento activo nas nossas tarefas diárias, servindo como um instrumento de pagamento e controlo de acessos, proporcionando assim novas interfaces para serviços existentes. A unificação de vários serviços num único dispositivo é um desafio que pode simplificar a nossa rotina diária e aumentar o conforto, no limite deixaremos de necessitar de dinheiro físico, cartões de crédito ou débito, chaves de residência e de veículos automóveis, ou inclusive documentos de identificação como bilhetes de identidade ou passaportes. O interesse demonstrado pelos intervenientes, desde os fabricantes de telemóveis e operadores de rede móvel até às instituições financeiras, levaram ao aparecimento de múltiplas soluções de serviços móveis. Porém estas soluções respondem geralmente a problemas específicos, apenas contemplando um fornecedor de serviços ou uma determinada operação de pagamento, como seja a compra de bilhetes ou pagamento de estacionamento. Estas soluções emergentes consistem também tipicamente em especificações fechadas e protocolos proprietários. A definição de uma arquitectura genérica, aberta interoperável e extensível é necessária para que os serviços móveis possam ser adoptados de uma forma generalizada por diferentes fornecedores de serviços e para diversos tipos de pagamento. A maior parte das soluções actuais de pagamento móvel depende de comunicações através da rede móvel, algumas utilizam o telemóvel apenas como uma interface de acesso à internet enquanto outras possibilitam o envio de um SMS (Short Message Service) para autorizar uma transacção, o que implica custos de comunicação em todas as operações de pagamento. Este custo de operação torna essas soluções inadequadas para a realização de micropagamentos e podem por isso ter uma aceitação limitada por parte dos clientes. As soluções existentes focam-se maioritariamente em pagamentos à distância, não tirando partido das características do pagamento presencial e não oferecendo por isso uma verdadeira alternativa ao modelo actual de pagamento com cartões de crédito/débito. As capacidades computacionais dos telemóveis e suporte de diversos protocolos de comunicação sem fio local não têm sido aproveitadas, vendo o telemóvel apenas como um terminal GSM (Global System for Mobile Communications) e não oferecendo serviços adicionais como seja a avaliação dinâmica de risco ou controlo de despesas. Esta dissertação propõe e valida, através de um demonstrador, uma aquitectua aberta para o pagamento e controlo de acesso baseado em dispositivos móveis, intitulada WPAC (Wireless Payment and Access Control). Para chegar à solução apresentada foram estudadas outras soluções de pagamento, desde o aparecimento dos cartões de débito até a era de pagamentos electrónicos móveis, passando pelas soluções de pagamento através da internet. As capacidades dos dispositivos móveis, designadamente os telemóveis, e tecnologias de comunicação sem fios foram também analisadas a fim de determinar o estado tecnológico actual. A arquitectura WPAC utiliza padrões de desenho utilizados pela indústria em soluções de sucesso, a utilização de padrões testados e a reutilização de soluções com provas dadas permite aumentar a confiança nesta solução, um destes exemplos é a utilização de uma infra-estrutura de chave pública para o estabelecimento de um canal de comunicação seguro. Esta especificação é uma arquitectura orientada aos serviços que utiliza os Web Services para a definição do contracto do serviço de pagamento. A viabilidade da solução na orquestração de um conjunto de tecnologias e a prova de conceito de novas abordagens é alcançada com a construção de um protótipo e a realização de testes. A arquitectura WPAC possibilita a realização de pagamentos móveis presenciais, isto é, junto do fornecedor de bens ou serviços, seguindo o modelo de pagamento com cartões de crédito/débito no que diz respeito aos intervenientes e relações entre eles. Esta especificação inclui como aspecto inovador a avaliação dinâmica de risco, que utiliza o valor do pagamento, a existência de pagamentos frequentes num período curto de tempo, e a data, hora e local do pagamento como factores de risco; solicitando ao cliente o conjunto de credenciais adequado ao risco avaliado, desde códigos pessoais a dados biométricos. É também apresentada uma alternativa ao processo normal de pagamento, que apesar de menos cómoda permite efectuar pagamentos quando não é possível estabelecer um canal de comunicação sem fios, aumentando assim a tolerância a falhas. Esta solução não implica custos de operação para o cliente na comunicação com o ponto de venda do comerciante, que é realizada através de tecnologias de comunicação local sem fios, pode ser necessária a comunicação através da rede móvel com o emissor do agente de pagamento para a actualização do agente de software ou de dados de segurança, mas essas transmissões são ocasionais. O modelo de segurança recorre a certificados para autenticação dos intervenientes e a uma infra-estrutura de chave pública para cifra e assinatura de mensagens. Os dados de segurança incluídos no agente de software móvel, para desabilitar a cópia ou corrupção da aplicação mas também para a comparação com as credenciais inseridas pelo cliente, devem igualmente ser encriptados e assinados de forma a garantir a sua confidencialidade e integridade. A arquitectura de pagamento utiliza o standard de Web Services, que é amplamente conhecido, aberto e interoperável, para definição do serviço de pagamento. Existem extensões à especificação de Web Services relativas à segurança que permitem trocar itens de segurança e definem o modo de cifra e assinatura de mensagens, possibilitando assim a sua utilização em aplicações que necessitem de segurança como é o caso de serviços de pagamento e controlo de acesso. O contracto de um Web Service define o modo de invocação dos serviços, transmissão de informação e representação de dados, sendo normalmente utilizado o protocolo SOAP que na prática não é mais que um protocolo de troca de mansagens XML (eXtensible Markup Language). O envio e recepção de mensagens XML; ou seja, a transmissão de simples sequências de caracteres, é suportado pela maioria dos protocolos de comunicação, sendo portanto uma solução abrangente que permite a adopção de diversas tecnologias de comunicação sem fios. O protótipo inclui um agente de software móvel, implementado sobre a forma de uma MIDlet, aplicação Java para dispositivos móveis, que implementa o protocolo de pagamento comunicando sobre uma ligação Bluetooth com o ponto de venda do comerciante, simulado por uma aplicação desenvolvida sobre a plataforma .NET e que por isso faz prova da heterogeneidade da solução. A comunicação entre o comerciante e o seu banco para autorização do pagamento e transferência monetária utiliza o protocolo existente para a autorização de pagamentos, com base em cartões de crédito/débito. A definição desta especificação aberta e genérica em conjunto com o forte interesse demonstrado pelos intervenientes, proporciona uma boa perspectiva em termos de adopção da solução, o que pode impulsionar a implementação de serviços móveis e dessa forma simplificar as rotinas diárias das pessoas. Soluções móveis de pagamento reduzem a necessidade de transportar vários cartões de crédito/débito na nossa carteira. A avaliação dinâmica de risco permite aumentar a segurança dos pagamentos, com a solicitação de mais credenciais ao cliente para pagamentos com um maior risco associado, sendo um ponto importante quer para os clientes quer para as instituições financeiras pois diminui o risco de fraude e aumenta a confiança no sistema. Esta solução de pagamento electrónico pode também facilitar a consulta de pagamentos efectuados e saldos, mantendo um histórico dos movimentos, o que não é possível nos cartões de crédito/débito sem uma visita a uma ATM (Automated Teller Machine) ou utilização de homebanking.

Optical demultiplexer device operating in the visible spectrum

In this paper, we present results on the use of multilayered a-SiC:H heterostructures as a device for wavelength-division demultiplexing of optical signals. These devices are useful in optical communications applications that use the wavelength division multiplexing technique to encode multiple signals into the same transmission medium. The device is composed of two stacked p-i-n photodiodes, both optimized for the selective collection of photo generated carriers. Band gap engineering was used to adjust the photogeneration and recombination rate profiles of the intrinsic absorber regions of each photodiode to short and long wavelength absorption in the visible spectrum. The photocurrent signal using different input optical channels was analyzed at reverse and forward bias and under steady state illumination. A demux algorithm based on the voltage controlled sensitivity of the device was proposed and tested. An electrical model of the WDM device is presented and supported by the solution of the respective circuit equations.

Semiconductor Device as Optical Demultiplexer for Short Range Optical Communications

In this paper we present results on the use of a multilayered a-SiC:H heterostructure as a wavelength-division demultiplexing device for the visible light spectrum. The proposed device is composed of two stacked p-i-n photodiodes with intrinsic absorber regions adjusted to short and long wavelength absorption and carrier collection. An optoelectronic characterisation of the device was performed in the visible spectrum. Demonstration of the device functionality for WDM applications was done with three different input channels covering the long, the medium and the short wavelengths in the visible range. The recovery of the input channels is explained using the photocurrent spectral dependence on the applied voltage. An electrical model of the WDM device is proposed and supported by the solution of the respective circuit equations. Short range optical communications constitute the major application field, however other applications are also foreseen.

Optoelectronic Digital Capture Device Based on Si/C Multilayer Heterostructures

Combined tunable WDM converters based on SiC multilayer photonic active filters are analyzed. The operation combines the properties of active long-pass and short-pass wavelength filter sections into a capacitive active band-pass filter. The sensor element is a multilayered heterostructure produced by PE-CVD. The configuration includes two stacked SiC p-i-n structures sandwiched between two transparent contacts. Transfer function characteristics are studied both theoretically and experimentally. Results show that optical bias activated photonic device combines the demultiplexing operation with the simultaneous photodetection and self amplification of an optical signal acting the device as an integrated photonic filter in the visible range. Depending on the wavelength of the external background and irradiation side, the device acts either as a short- or a long-pass band filter or as a band-stop filter. The output waveform presents a nonlinear amplitude-dependent response to the wavelengths of the input channels. A numerical simulation and two building-blocks active circuit is presented and gives insight into the physics of the device.

Detection of FRET signals with a wavelength sensitive device based on a-SiC:H

Glucose sensing is an issue with great interest in medical and biological applications. One possible approach to glucose detection takes advantage of measuring changes in fluorescence resonance energy transfer (FRET) between a fluorescent donor and an acceptor within a protein which undergoes glucose-induced changes in conformation. This demands the detection of fluorescent signals in the visible spectrum. In this paper we analyzed the emission spectrum obtained from fluorescent labels attached to a protein which changes its conformation in the presence of glucose using a commercial spectrofluorometer. Different glucose nanosensors were used to measure the output spectra with fluorescent signals located at the cyan and yellow bands of the spectrum. A new device is presented based on multilayered a-SiC:H heterostructures to detect identical transient visible signals. The transducer consists of a p-i'(a-SiC:H)-n/p-i(a-Si:H)-n heterostructure optimized for the detection of the fluorescence resonance energy transfer between fluorophores with excitation in the violet (400 nm) and emissions in the cyan (470 nm) and yellow (588 nm) range of the spectrum. Results show that the device photocurrent signal measured under reverse bias and using appropriate steady state optical bias, allows the separate detection of the cyan and yellow fluorescence signals. (C) 2013 Elsevier B.V. All rights reserved.

Optical demultiplexer based on an a-SiC:H voltage controlled device

In this paper we present results on the use of a semiconductor heterostructure based on a-SiC:H as a wavelength-division demultiplexer for the visible light spectrum. The proposed device is composed of two stacked p-i-n photodiodes with intrinsic absorber regions adjusted to short and long wavelength absorption and carrier collection. An optoelectronic characterisation of the device was performed in the visible spectrum. Demonstration of the device functionality for WDM applications was done with three different input channels covering the long, the medium and the short wavelengths in the visible range. The recovery of the input channels is explained using the photocurrent spectral dependence on the applied voltage. An electrical model of the WDM device is proposed and supported by the solution of the respective circuit equations. Short range optical communications constitute the major application field however other applications are foreseen. (C) 2010 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim.

Direct Color Sensor, Optical Amplifier and Demux Device Integrated on a Single Monolithic SiC Photodetector

A pi'n/pin a-SiC:H voltage and optical bias controlled device is presented and its behavior as image and color sensor, optical amplifier and demux device is discussed. The design and the light source properties are correlated with the sensor output characteristics. Different readout techniques are used. When a low power monochromatic scanner readout the generated carriers the transducer recognizes a color pattern projected on it acting as a direct color and image sensor. Scan speeds up to 10(4) lines per second are achieved without degradation in the resolution. If the photocurrent generated by different monochromatic pulsed channels is readout directly, the information is demultiplexed. Results show that it is possible to decode the information from three simultaneous color channels without bit errors at bit rates per channel higher than 4000 bps. Finally, when triggered by light of appropriated wavelength, it can amplify or suppress the generated photocurrent working as an optical amplifier (C) 2009 Published by Elsevier Ltd.

A biosignal embedded system for physiological computing

Thesis submitted in the fulfilment of the requirements for the Degree of Master in Electronic and Telecomunications Engineering

BIT: Biosignal Igniter Toolkit

The study of biosignals has had a transforming role in multiple aspects of our society, which go well beyond the health sciences domains to which they were traditionally associated with. While biomedical engineering is a classical discipline where the topic is amply covered, today biosignals are a matter of interest for students, researchers and hobbyists in areas including computer science, informatics, electrical engineering, among others. Regardless of the context, the use of biosignals in experimental activities and practical projects is heavily bounded by the cost, and limited access to adequate support materials. In this paper we present an accessible, albeit versatile toolkit, composed of low-cost hardware and software, which was created to reinforce the engagement of different people in the field of biosignals. The hardware consists of a modular wireless biosignal acquisition system that can be used to support classroom activities, interface with other devices, or perform rapid prototyping of end-user applications. The software comprehends a set of programming APIs, a biosignal processing toolbox, and a framework for real time data acquisition and postprocessing. (C) 2014 Elsevier Ireland Ltd. All rights reserved.

Value of a lower limb immobilization device for SPECT/CT image fusion optimization

The foot and the ankle are small structures commonly affected by disorders, and their complex anatomy represent significant diagnostic challenges. SPECT/CT Image fusion can provide missing anatomical and bone structure information to functional imaging, which is particularly useful to increase diagnosis certainty of bone pathology. However, due to SPECT acquisition duration, patient’s involuntary movements may lead to misalignment between SPECT and CT images. Patient motion can be reduced using a dedicated patient support. We aimed at designing an ankle and foot immobilizing device and measuring its efficacy at improving image fusion. Methods: We enrolled 20 patients undergoing distal lower-limb SPECT/CT of the ankle and the foot with and without a foot holder. The misalignment between SPECT and CT images was computed by manually measuring 14 fiducial markers chosen among anatomical landmarks also visible on bone scintigraphy. Analysis of variance was performed for statistical analysis. Results: The obtained absolute average difference without and with support was 5.1±5.2 mm (mean±SD) and 3.1±2.7 mm, respectively, which is significant (p<0.001). Conclusion: The introduction of the foot holder significantly decreases misalignment between SPECT and CT images, which may have clinical influence in the precise localization of foot and ankle pathology.

Smart environment technology as a possible enabler of smart cities

This paper discusses the technology of smart floors as a enabler of smart cities. The discussion will be based on technology that is embedded into the environment that enable location, navigation but also wireless power transmission for powering up elements siting on it, typically mobile devices. One of those examples is the smart floor, this implementation follows two paths, one where the floor is passive, and normally passive RFID's are embedded into the floor, they are used to provide intelligence into the surrounding space, this is normally complemented with a battery powered mobile unit that scans the floor for the sensors and communicates the information to a database which locates the mobile device in the environment. The other path for the smart city enabler is where the floor is active and delivers energy for the objects standing on top of it. In this paper these two approaches will be presented, by discussing the technology behind it. © 2014 IEEE.

Viability of the use of an A-SiC:H multiplayer device in a domestic VLC application

In this paper the viability of an integrated wavelength optical filter and photodetector for visible light communication (VLC) is discussed. The proposed application uses indoor warm light lamps lighting accomplished by ultra-bright light-emitting diodes (LEDs) pulsed at frequencies higher than the ones perceived by the human eye. The system was analyzed at two different wavelengths in the visible spectrum (430 nm and 626 nm) with variable optical intensities. The signals were transmitted into free space and measured using a multilayered photodetector based on a-SiC:H/a-Si:H. The detector works as an optical filter with controlled wavelength sensitivity through the use of optical bias. The output photocurrent was measured for different optical intensities of the transmitted optical signal and the extent of each signal was tested. The influence of environmental fluorescent lighting was also analysed in order to test the strength of the system. © 2014 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim.

Mechanical properties of stent-graft materials

An aneurysm is a localized blood-filled dilatation of an artery whose consequences can be deadly. One of its current treatments is endovascular aneurysm repair, a minimally invasive procedure in which an endoprosthesis, called a stent-graft, is placed transluminally to prevent wall rupture. Early stent-grafts were custom designed for the patient through the assembling of off-the-shelf components by the operating surgeon. However, nowadays, stent-grafts have become a commercial product. The existing endoprostheses differ in several aspects, such as shape design and materials, but they have in common a metallic scaffold with a polymeric covering membrane. This article aims to gather relevant information for those who wish to understand the principles of stent-grafts and even to develop new devices. Hence, a stent-graft classification based on different characteristics is presented and the desired features for an ideal device are pointed out. Additionally, the materials currently in use to fabricate this type of endoprosthesis are reviewed and new materials are suggested.

ALS-Sence: sistema de aquisição e processamento de electromiogramas para pacientes com ALS

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia de Eletrónica e Computadores