Dimensioning and worst-case analysis of cluster-tree sensor networks

Modeling the fundamental performance limits of Wireless Sensor Networks (WSNs) is of paramount importance to understand their behavior under the worst-case conditions and to make the appropriate design choices. This is particular relevant for time-sensitive WSN applications, where the timing behavior of the network protocols (message transmission must respect deadlines) impacts on the correct operation of these applications. In that direction this paper contributes with a methodology based on Network Calculus, which enables quick and efficient worst-case dimensioning of static or even dynamically changing cluster-tree WSNs where the data sink can either be static or mobile. We propose closed-form recurrent expressions for computing the worst-case end-to-end delays, buffering and bandwidth requirements across any source-destination path in a cluster-tree WSN. We show how to apply our methodology to the case of IEEE 802.15.4/ZigBee cluster-tree WSNs. Finally, we demonstrate the validity and analyze the accuracy of our methodology through a comprehensive experimental study using commercially available technology, namely TelosB motes running TinyOS.

Modeling and worst-case dimensioning of cluster-tree wireless sensor networks

Time-sensitive Wireless Sensor Network (WSN) applications require finite delay bounds in critical situations. This paper provides a methodology for the modeling and the worst-case dimensioning of cluster-tree WSNs. We provide a fine model of the worst-case cluster-tree topology characterized by its depth, the maximum number of child routers and the maximum number of child nodes for each parent router. Using Network Calculus, we derive “plug-and-play” expressions for the endto- end delay bounds, buffering and bandwidth requirements as a function of the WSN cluster-tree characteristics and traffic specifications. The cluster-tree topology has been adopted by many cluster-based solutions for WSNs. We demonstrate how to apply our general results for dimensioning IEEE 802.15.4/Zigbee cluster-tree WSNs. We believe that this paper shows the fundamental performance limits of cluster-tree wireless sensor networks by the provision of a simple and effective methodology for the design of such WSNs.

Recuperação de calor dos efluentes da tinturaria

Foram utilizados como elemento principal de estudo, os efluentes líquidos dos processos industriais da ENDUTEX, Tinturaria e Acabamento de Malhas, S. A. localizada no município de Caldas de Vizela, distrito de Braga. O estudo foi realizado na empresa devido ao interesse da mesma em poder reaproveitar o calor libertado nos efluentes para aquecimento de parte da água captada no rio de Vizela. O objectivo do trabalho consiste no dimensionamento de um permutador de calor que permita satisfazer o interesse da empresa, assim como, um estudo económico relativo aos custos envolventes. Com o intuito de concretizar os objectivos propostos foram realizadas visitas semanais à empresa para se proceder ao levantamento de dados e para a realização de amostragens do efluente para posterior caracterização. Depois de efectuado o dimensionamento do permutador de placas para diferentes caudais e temperaturas dos fluidos, frio (água do rio) e quente (efluentes), concluiu-se que as condições mais rentáveis correspondiam a um caudal de fluido frio de 17 m3/h em que a temperatura de entrada e de saída no permutador seria de 14 ºC e 48 ºC, respectivamente. O caudal de fluido quente seria de 20 m3/h, sendo a temperatura de entrada e de saída no permutador de 62 ºC e 33,1 ºC, respectivamente. Como resultado do dimensionamento obteve-se um permutador de placas com 167 placas em que o coeficiente global de transferência de calor (U) é de 726,9 W/m2ºC, a área projectada de 55,7 m2 e a queda de pressão de 0,904 KPa. Foi consultada a empresa ARSOPI-THERMAL para verificação das características dos permutadores existentes no mercado. No entanto, para as mesmas condições foi sugerido um permutador com 31 placas em que o coeficiente global de transferência de calor (U) é de 6267 W/m2ºC, a área projectada de 7,39 m2 e a queda de pressão de 76 KPa. A diferença verificada nos resultados apresentados pode ter origem na utilização de diferentes expressões no cálculo do coeficiente pelicular de transferência de calor (h) e pelo facto da ARSOPI desprezar o factor de sujamento no seu dimensionamento Na análise económica do projecto é de referir que para o arranque do projecto foi feito o levantamento das necessidades de investimento, situando-se este num valor total de 9640€, sendo o investimento financiado apenas por capitais próprios. O prazo de recuperação do investimento (Pay Back Period) é de cerca de 2 meses.

Edifícios altos – problemas associados e análise estrutural de um caso prático

Com a presente dissertação pretende-se analisar alguns dos problemas associados aos edifícios altos, na fase de projeto, bem como compilar um conjunto de informações e conhecimentos científicos sobre a área abordada. São descritas algumas soluções de sistemas estruturais possíveis de idealizar para edifícios altos. Posteriormente, tendo por base um projeto de estruturas de um edifício com 25 pisos localizado em Luanda, capital de Angola, o objetivo consistiu em analisar estática e dinamicamente o seu comportamento quando solicitado fundamentalmente pelas ações do vento e dos sismos. A análise estrutural foi realizada com recurso a dois softwares de cálculo automático, nomeadamente, o Cypecad e o Robot Structural Analysis Professional e pelos métodos preconizados no Regulamento de Segurança e Ações para estruturas de edifícios e pontes e o Eurocódigo 8 – “Projeto de estruturas para resistência aos sismos”. Aborda-se a temática do faseamento construtivo, assunto que revela algumas limitações dos programas de cálculo utilizados, sendo descrito um método simplificado para prever os seus efeitos em termos de dimensionamento final. Os resultados obtidos permitiram avaliar o bom comportamento da estrutura no que respeita ao cumprimento dos estados limites últimos e de serviço. Conclui-se que o sistema estrutural adotado no modelo em estudo se encontra bem dimensionado relativamente ao colapso e à limitação de danos.

A framework for the development of parallel and distributed real-time embedded systems

Embedded real-time applications increasingly present high computation requirements, which need to be completed within specific deadlines, but that present highly variable patterns, depending on the set of data available in a determined instant. The current trend to provide parallel processing in the embedded domain allows providing higher processing power; however, it does not address the variability in the processing pattern. Dimensioning each device for its worst-case scenario implies lower average utilization, and increased available, but unusable, processing in the overall system. A solution for this problem is to extend the parallel execution of the applications, allowing networked nodes to distribute the workload, on peak situations, to neighbour nodes. In this context, this report proposes a framework to develop parallel and distributed real-time embedded applications, transparently using OpenMP and Message Passing Interface (MPI), within a programming model based on OpenMP. The technical report also devises an integrated timing model, which enables the structured reasoning on the timing behaviour of these hybrid architectures.

EMMON - EMbedded MONitoring

Despite the steady increase in experimental deployments, most of research work on WSNs has focused only on communication protocols and algorithms, with a clear lack of effective, feasible and usable system architectures, integrated in a modular platform able to address both functional and non–functional requirements. In this paper, we outline EMMON [1], a full WSN-based system architecture for large–scale, dense and real–time embedded monitoring [3] applications. EMMON provides a hierarchical communication architecture together with integrated middleware and command and control software. Then, EM-Set, the EMMON engineering toolset will be presented. EM-Set includes a network deployment planning, worst–case analysis and dimensioning, protocol simulation and automatic remote programming and hardware testing tools. This toolset was crucial for the development of EMMON which was designed to use standard commercially available technologies, while maintaining as much flexibility as possible to meet specific applications requirements. Finally, the EMMON architecture has been validated through extensive simulation and experimental evaluation, including a 300+ nodes testbed.

The dark side of DEMMON: what is behind the scene in engineering large-scale wireless sensor networks

Most research work on WSNs has focused on protocols or on specific applications. There is a clear lack of easy/ready-to-use WSN technologies and tools for planning, implementing, testing and commissioning WSN systems in an integrated fashion. While there exists a plethora of papers about network planning and deployment methodologies, to the best of our knowledge none of them helps the designer to match coverage requirements with network performance evaluation. In this paper we aim at filling this gap by presenting an unified toolset, i.e., a framework able to provide a global picture of the system, from the network deployment planning to system test and validation. This toolset has been designed to back up the EMMON WSN system architecture for large-scale, dense, real-time embedded monitoring. It includes network deployment planning, worst-case analysis and dimensioning, protocol simulation and automatic remote programming and hardware testing tools. This toolset has been paramount to validate the system architecture through DEMMON1, the first EMMON demonstrator, i.e., a 300+ node test-bed, which is, to the best of our knowledge, the largest single-site WSN test-bed in Europe to date.

On the capacity of cluster-tree ZigBee networks

Modeling the fundamental performance limits of Wireless Sensor Networks (WSNs) is of paramount importance to understand their behavior under worst-case conditions and to make the appropriate design choices. In that direction this paper contributes with an analytical methodology for modeling cluster-tree WSNs where the data sink can either be static or mobile. We assess the validity and pessimism of analytical model by comparing the worst-case results with the values measured through an experimental test-bed based on Commercial-Off- The-Shelf (COTS) technologies, namely TelosB motes running TinyOS.

GTS allocation analysis in IEEE 802.15.4 for real-time wireless sensor networks

The IEEE 802.15.4 protocol proposes a flexible communication solution for Low-Rate Wireless Personal Area Networks including sensor networks. It presents the advantage to fit different requirements of potential applications by adequately setting its parameters. When enabling its beacon mode, the protocol makes possible real-time guarantees by using its Guaranteed Time Slot (GTS) mechanism. This paper analyzes the performance of the GTS allocation mechanism in IEEE 802.15.4. The analysis gives a full understanding of the behavior of the GTS mechanism with regards to delay and throughput metrics. First, we propose two accurate models of service curves for a GTS allocation as a function of the IEEE 802.15.4 parameters. We then evaluate the delay bounds guaranteed by an allocation of a GTS using Network Calculus formalism. Finally, based on the analytic results, we analyze the impact of the IEEE 802.15.4 parameters on the throughput and delay bound guaranteed by a GTS allocation. The results of this work pave the way for an efficient dimensioning of an IEEE 802.15.4 cluster.

Tecnologia de revestimentos em zinco e cobre na envolvente exterior de edifícios

Mestrado em Engenharia Civil – ramo Tecnologia e Gestão das Construções

Redes de distribuição de gás natural: projeto e desenvolvimento

Atualmente o gás natural é a principal fonte de energia utilizada pela maioria dos europeus nos setores doméstico, terciário e industrial. É considerado a alternativa energética do futuro e a mais ecologicamente correta de que podemos dispor, numa escala compatível com as elevadas necessidades energéticas da Humanidade a nível global. Aliado a estes factos, surgem cada vez mais regras de boa prática, normas e legislação, nomeadamente especificações técnicas de forma a regular o setor e dotar as entidades intervenientes na conceção e controlo de uma instalação de rede de gás, de um conhecimento mais detalhado e atualizado sobre esta matéria. Esta dissertação pretende assim contribuir para a melhoria e modernização do desempenho de todos os que exercem funções neste setor, com vista ao aperfeiçoamento da qualidade e utilidade dos seus serviços. Este trabalho reúne o conjunto de informação técnica presente na legislação e normas de forma a preencher a eventual falha do conhecimento neste ramo por parte destes profissionais dotando-os de um conhecimento mais aprofundado, de modo a que possam executar corretamente e de forma eficaz o seu trabalho. Por outro lado, esta dissertação tem como objetivo o projeto e desenvolvimento de uma rede de distribuição de gás natural aplicado a três redes concretas: rede de distribuição, edifício e moradia. A conceção do projeto de instalação de gás inicia-se com a recolha de informação, seguindo-se o desenvolvimento do estudo do traçado. Assim, estão reunidas as condições para dimensionar e providenciar a escolha de materiais mais adequados para a execução da obra. A metodologia de dimensionamento adotada teve por base a equação dos gases perfeitos e a fórmula de Renouard simplificada, encontrando-se implementada numa folha de cálculo. Esta ferramenta de cálculo aliada à metodologia permite realizar de forma expedita o correto dimensionamento de uma rede de gás, bem como apurar se a velocidade de escoamento se encontra em conformidade com o definido no projeto.

Projeto estrutural de um edifício público em Camama - Angola

O presente trabalho tem como objetivo o cálculo e desenvolvimento de um projecto estrutural de um edifício público. O edifício em questão será construído em Camama, Angola. Ao longo deste trabalho são apresentadas as diferentes etapas necessárias para a conceção do projeto estrutural de um edifício em betão armado. As opções consideradas na realização deste projeto e as respetivas justificações, podem ser encontradas ao longo deste documento. Estas são reforçadas através da apresentação de plantas estruturais com os seus elementos e os cálculos considerados necessários. Este trabalho foi elaborado com o apoio do programa de cálculo ROBOT Structural Analysis para a caracterização e análise das ações atuantes. Apesar da localização do edifício ser em Angola, as ações e as bases de projeto são definidas de acordo com as normas portuguesas. A utilização destas normas foi possível através de referências comuns a ambos os países, bem como algumas considerações tendo em conta as condições de construção em Luanda. Para a definição do projeto estrutural foram fornecidas as plantas de arquitetura, cortes e alçados do edifício. Estas plantas apresentam os respetivos materiais não estruturais, a utilizar após a sua construção. Em adição foi fornecida uma sondagem geotécnica do terreno de construção.

Estudo e Coordenação das Principais Protecções Eléctricas de Geradores e Transformadores de uma Central de Cogeração

O Sector eléctrico possui uma grande importância nas sociedades modernas. Dados os elevados custos de produção de energia e o grande impacto que esta tem na nossa economia e na sociedade, em geral, a utilização mais eficiente da energia é um factor fulcral. Com a evolução da electrónica e consequente aumento das capacidades dos computadores, as protecções eléctricas são cada vez mais eficazes e com índices de fiabilidade mais elevados, algo muito importante em instalações de elevado custo de investimento e manutenção. No entanto, o seu bom funcionamento está dependente do correcto dimensionamento das protecções e de uma análise técnica capaz de prever necessidades futuras. Após uma breve introdução no capítulo 1 é efectuado no capítulo 2 um breve estudo de protecções eléctricas e o seu estado de arte. Nos Capítulos 3 e 4 é efectuado o dimensionamento e estudo da selectividade das protecções de grupo de Alternador e Transformador escolhidos para a nova central de cogeração da refinaria de Matosinhos da Galp. No presente estudo foram apenas consideradas as protecções típicas de alternador e apenas a protecção diferencial do transformador. Todas as protecções foram dimensionadas com base no tutorial de protecções de geradores do IEE e com informação referente ao manual de instruções do relé G60 da GE industrial systems, o DTP-B da GE multilin e o ELIN Power Plant Automation. No Capítulo 5 é demonstrada a importância da análise Safety Instruments Systems (SIS), o seu modo de aplicação e necessidade de implementação em locais industriais como o caso em estudo. Por último, é efectuado um pequeno estudo económico onde é efectuada a comparação dos custos dos diversos equipamentos, protecções e manutenções efectuadas.

Ventilação de locais afetos a serviços técnicos elétricos

A correta ventilação de locais afetos a serviços técnicos elétricos, nomeadamente postos de transformação e salas de grupos geradores, reveste-se de extrema importância como garantia da continuidade e qualidade do serviço prestado, durabilidade dos materiais e equipamentos e da segurança das instalações e utilizadores. A ventilação dos locais afetos a serviços técnicos elétricos pode ser natural ou mecânica, dependendo das suas caraterísticas e das necessidades de ar para ventilação e combustão, quando aplicável. Os técnicos responsáveis pelo projeto de instalações elétricas não detém, em regra, um conhecimento muito profundo sobre este tema, sendo os seus projetos realizados com base em especificações e metodologias gerais disponibilizadas pelos fabricantes e comercializadores dos materiais e equipamentos. O projeto de uma solução de ventilação para um local afeto a serviços técnicos eléctricos exige o conhecimento de todos os ganhos térmicos no interior do espaço, o conhecimento das soluções técnicas e tecnológicas de ventilação bem como as metodologias de dimensionamento aplicáveis a cada situação. Sendo a fase de projeto elétrico, em regra, uma atividade com prazos apertados, pode conduzir ao menosprezar de certos aspetos particulares que carecem de investigação e tempo para serem desenvolvidos, o que pode resultar em projetos e mapas de quantidades que apresentam desvios da solução ideal para o cliente, podendo resultar em investimentos mais elevados, quer na fase de execução, quer na fase de exploração das instalações. Neste sentido, pretendeu-se com o presente trabalho, tratar o tema da ventilação de locais afetos a serviços técnicos, atendendo ao enquadramento normativo e regulamentar das instalações, às soluções técnicas e tecnológicas disponíveis no mercado e às metodologias de dimensionamento, apresentadas pelos documentos normativos e regulamentares. Pretendeu-se também desenvolver uma ferramenta informática de auxilio ao dimensionamento das soluções de ventilação de locais afetos a serviços técnicas eléctricos destinados a postos de transformação e grupos geradores de modo a reduzir o tempo normalmente exigido por esta tarefa, o que se traduzirá numa maior rentabilidade do tempo de projeto, assim como a normalizar as soluções apresentadas e minimizar a probabilidade de erro do dimensionamento das soluções, reduzindo assim a probabilidade de gastos em “trabalhos a mais” provenientes de erros em projeto, poupança em materiais presentes no mapa de quantidades, maior eficácia na execução da empreitada, poupança em gastos durante a exploração e desta forma numa proximidade entre as partes interessadas com o dimensionamento da ventilação do espaço técnico elétrico.

Processos de construção e dimensionamento de pontes atirantadas

Na presente dissertação desenvolve-se o tema das pontes atirantadas. Apresentam-se várias formas de concepção estrutural, identificando os diversos elementos estruturais e as suas possíveis combinações. São também apresentadas as vantagens, desvantagens e aplicação de cada elemento estrutural na globalidade da estrutura. Os métodos construtivos foram também abordados, apresentando o faseamento construtivo, vantagens, desvantagens e condicionantes de cada processo para pilares, mastros e tabuleiros. Foi feito um estudo das várias acções regulamentares relevantes, para este tipo de estrutura, explicando para cada uma a sua metodologia de cálculo e a sua aplicação em cada elemento estrutural. A sua aplicação depende da estrutura em causa. Utilizando como caso de estudo uma ponte idealizada pelo Professor António Adão da Fonseca, que faz a ligação entre as cidades do Porto e Vila Nova de Gaia, foi feito um pré-dimensionamento de cada elemento estrutural, assim como o cálculo do pré-tensionamento dos tirantes. Em seguida foram elaboradas análises estáticas e dinâmicas através de um modelo numérico, considerando algumas das acções regulamentares estudadas anteriormente. Das análises foram extraídos valores de deslocamentos e esforços em cada elemento estrutural. Estes deslocamentos e esforços foram comparados entre várias combinações de acções e alternâncias de sobrecargas, procedendo-se no final a uma discussão dos resultados.