A simulation model for the IEEE 802.15.4 protocol: delay/throughput evaluation of the GTS mechanism

The IEEE 802.15.4 protocol has the ability to support time-sensitive Wireless Sensor Network (WSN) applications due to the Guaranteed Time Slot (GTS) Medium Access Control mechanism. Recently, several analytical and simulation models of the IEEE 802.15.4 protocol have been proposed. Nevertheless, currently available simulation models for this protocol are both inaccurate and incomplete, and in particular they do not support the GTS mechanism. In this paper, we propose an accurate OPNET simulation model, with focus on the implementation of the GTS mechanism. The motivation that has driven this work is the validation of the Network Calculus based analytical model of the GTS mechanism that has been previously proposed and to compare the performance evaluation of the protocol as given by the two alternative approaches. Therefore, in this paper we contribute an accurate OPNET model for the IEEE 802.15.4 protocol. Additionally, and probably more importantly, based on the simulation model we propose a novel methodology to tune the protocol parameters such that a better performance of the protocol can be guaranteed, both concerning maximizing the throughput of the allocated GTS as well as concerning minimizing frame delay.

Engineering a search and rescue application with a wireless sensor network - based localization mechanism

The advent of Wireless Sensor Network (WSN) technologies is paving the way for a panoply of new ubiquitous computing applications, some of them with critical requirements. In the ART-WiSe framework, we are designing a two-tiered communication architecture for supporting real-time and reliable communications in WSNs. Within this context, we have been developing a test-bed application, for testing, validating and demonstrating our theoretical findings - a search&rescue/pursuit-evasion application. Basically, a WSN deployment is used to detect, localize and track a target robot and a station controls a rescuer/pursuer robot until it gets close enough to the target robot. This paper describes how this application was engineered, particularly focusing on the implementation of the localization mechanism.

Flexible manufacturing field trial

Within the European project R-Fieldbus (http://www.hurray.isep.ipp.pt/activities/rfieldbus/), an industrial manufacturing field trial was developed. This field trial was conceived as a demonstration test bed for the technologies developed during the project. Because the R-Fieldbus field trial included prototype hardware devices, the purpose of this equipment changed and since the conclusion of the project, several new technologies also emerged, therefore an update of the field trial was required. This document describes an update of the manufacturing field trial. The purpose of this update, the changes and improvements introduced are described in the document. Additionally, this document also provides a reliable source of documentation for the equipment, configuration and software components of the manufacturing field trial.

H-NAMe: a hidden-node avoidance mechanism for wireless sensor networks

The hidden-node problem has been shown to be a major source of Quality-of-Service (QoS) degradation in Wireless Sensor Networks (WSNs) due to factors such as the limited communication range of sensor nodes, link asymmetry and the characteristics of the physical environment. In wireless contention-based Medium Access Control protocols, if two nodes that are not visible to each other transmit to a third node that is visible to the formers, there will be a collision – usually called hidden-node or blind collision. This problem greatly affects network throughput, energy-efficiency and message transfer delays, which might be particularly dramatic in large-scale WSNs. This paper tackles the hiddennode problem in WSNs and proposes H-NAMe, a simple yet efficient distributed mechanism to overcome it. H-NAMe relies on a grouping strategy that splits each cluster of a WSN into disjoint groups of non-hidden nodes and then scales to multiple clusters via a cluster grouping strategy that guarantees no transmission interference between overlapping clusters. We also show that the H-NAMe mechanism can be easily applied to the IEEE 802.15.4/ZigBee protocols with only minor add-ons and ensuring backward compatibility with the standard specifications. We demonstrate the feasibility of H-NAMe via an experimental test-bed, showing that it increases network throughput and transmission success probability up to twice the values obtained without H-NAMe. We believe that the results in this paper will be quite useful in efficiently enabling IEEE 802.15.4/ZigBee as a WSN protocol

i-GAME: an implicit GTS allocation mechanism in IEEE 802.15.4 for time-sensitive wireless sensor networks

The IEEE 802.15.4 Medium Access Control (MAC) protocol is an enabling technology for time sensitive wireless sensor networks thanks to its Guaranteed-Time Slot (GTS) mechanism in the beacon-enabled mode. However, the protocol only supports explicit GTS allocation, i.e. a node allocates a number of time slots in each superframe for exclusive use. The limitation of this explicit GTS allocation is that GTS resources may quickly disappear, since a maximum of seven GTSs can be allocated in each superframe, preventing other nodes to benefit from guaranteed service. Moreover, the GTSs may be only partially used, resulting in wasted bandwidth. To overcome these limitations, this paper proposes i-GAME, an implicit GTS Allocation Mechanism in beacon-enabled IEEE 802.15.4 networks. The allocation is based on implicit GTS allocation requests, taking into account the traffic specifications and the delay requirements of the flows. The i-GAME approach enables the use of a GTS by multiple nodes, while all their (delay, bandwidth) requirements are still satisfied. For that purpose, we propose an admission control algorithm that enables to decide whether to accept a new GTS allocation request or not, based not only on the remaining time slots, but also on the traffic specifications of the flows, their delay requirements and the available bandwidth resources. We show that our proposal improves the bandwidth utilization compared to the explicit allocation used in the IEEE 802.15.4 protocol standard. We also present some practical considerations for the implementation of i-GAME, ensuring backward compatibility with the IEEE 801.5.4 standard with only minor add-ons.

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.

Implementation of the i-GAME mechanism in IEEE 802.15.4 WPANs

This technical report describes the implementation details of the Implicit GTS Allocation Mechanism (i-GAME), for the IEEE 802.15.4 protocol. The i-GAME was implemented in nesC/TinyOS for the CrossBow MICAz mote, over our own implementation of the IEEE 802.15.4 protocol stack. This document provides the implementation details, including a description of the i-GAME software interfaces.

A flexible online apparatus for projectile launch experiments

In order to provide a more flexible learning environment in physics, the developed projectile launch apparatus enables students to determine the acceleration of gravity and the dependence of a set of parameters in the projectile movement. This apparatus is remotely operated and accessed via web, by first scheduling an access time slot. This machine has a number of configuration parameters that support different learning scenarios with different complexities.

Towards a flexible and transparent database evolution

Applications refactorings that imply the schema evolution are common activities in programming practices. Although modern object-oriented databases provide transparent schema evolution mechanisms, those refactorings continue to be time consuming tasks for programmers. In this paper we address this problem with a novel approach based on aspect-oriented programming and orthogonal persistence paradigms, as well as our meta-model. An overview of our framework is presented. This framework, a prototype based on that approach, provides applications with aspects of persistence and database evolution. It also provides a new pointcut/advice language that enables the modularization of the instance adaptation crosscutting concern of classes, which were subject to a schema evolution. We also present an application that relies on our framework. This application was developed without any concern regarding persistence and database evolution. However, its data is recovered in each execution, as well as objects, in previous schema versions, remain available, transparently, by means of our framework.

Negotiation mechanism for self-organized scheduling system with collective intelligence

Current Manufacturing Systems challenges due to international economic crisis, market globalization and e-business trends, incites the development of intelligent systems to support decision making, which allows managers to concentrate on high-level tasks management while improving decision response and effectiveness towards manufacturing agility. This paper presents a novel negotiation mechanism for dynamic scheduling based on social and collective intelligence. Under the proposed negotiation mechanism, agents must interact and collaborate in order to improve the global schedule. Swarm Intelligence (SI) is considered a general aggregation term for several computational techniques, which use ideas and inspiration from the social behaviors of insects and other biological systems. This work is primarily concerned with negotiation, where multiple self-interested agents can reach agreement over the exchange of operations on competitive resources. Experimental analysis was performed in order to validate the influence of negotiation mechanism in the system performance and the SI technique. Empirical results and statistical evidence illustrate that the negotiation mechanism influence significantly the overall system performance and the effectiveness of Artificial Bee Colony for makespan minimization and on the machine occupation maximization.

Plataforma de Dados de Saúde - Portal Institucional

O presente documento de dissertação retrata o desenvolvimento do projeto PDS-Portal Institucional cujo cerne é um sistema para recolha, armazenamento e análise de dados (plataforma de Business Intelligence). Este portal está enquadrado na área da saúde e é uma peça fundamental no sistema da Plataforma de dados da Saúde, que é constituído por quatro portais distintos. Esta plataforma tem como base um sistema totalmente centrado no utente, que agrega dados de saúde dos utentes e distribui pelos diversos intervenientes: utente, profissionais de saúde nacionais e internacionais e organizações de saúde. O objetivo principal deste projeto é o desenvolvimento do PDS-Portal Institucional, recorrendo a uma plataforma de Business Intelligence, com o intuito de potenciar os utilizadores de uma ferramenta analítica para análise de dados. Estando a informação armazenada em dois dos portais da Plataforma de dados da Saúde (PDS-Portal Utente e PDS-Portal Profissional), é necessário modular um armazém de dados que agregue a informação de ambos e, através do PDS-PI, distribua um conjunto de análises ao utilizador final. Para tal este sistema comtempla um mecanismo totalmente automatizado para extração, tratamento e carregamento de dados para o armazém central, assim como uma plataforma de BI que disponibiliza os dados armazenados sobre a forma de análises específicas. Esta plataforma permite uma evolução constante e é extremamente flexível, pois fornece um mecanismo de gestão de utilizadores e perfis, assim como capacita o utilizador de um ambiente Web para análise de dados, permitindo a partilha e acesso a partir de dispositivos móveis. Após a implementação deste sistema foi possível explorar os dados e tirar diversas conclusões que são de extrema importância tanto para a evolução da PDS como para os métodos de praticar os cuidados de saúde em Portugal. Por fim são identificados alguns pontos de melhoria do sistema atual e delineada uma perspetiva de evolução futura. É certo que a partir do momento que este projeto seja lançado para produção, novas oportunidades surgirão e o contributo dos utilizadores será útil para evoluir o sistema progressivamente.

Reabilitação do Aeroporto de Ondjiva em Angola

Com o progresso da tecnologia aeronáutica, a deslocação de pessoas e bens tornou-se bastante acessível para variados pontos de mundo, com espaço de tempo muito reduzido. Um dos motores essenciais deste avanço, concernente à mobilidade, é o transporte aéreo e a sua evolução. Este tipo de transporte requer a máxima segurança, sendo que um único acidente pode gerar centenas de vítimas. Atendendo a estas condições, a qualidade dos pavimentos aeroportuários é de grande importância para a segurança da movimentação das aeronaves em solo. Mas, por razões económicas e por vezes de espaço, perspetivas de novas construções perdem viabilidade comparativamente a soluções de reabilitação. A posição geográfica do aeroporto de Ondjiva faz com que seja um importante ponto de passagem entre a África do Sul e a Namíbia e, prevê-se que o número de voos que se efetuam no aeroporto cresça, sendo que o país está numa fase de grande evolução. O presente trabalho visa o conhecimento do processo de dimensionamento para pavimentos aeroportuários e soluções de correção para anomalias que possam apresentar, aplicando-os ao aeroporto de Ondjiva, em Angola. Atualmente, o aeroporto revela um grande desgaste das pistas de táxi, inadaptabilidade das cabeceiras face às cargas estáticas a que são submetidas e, largura insuficiente da pista para a aeronave de projeto, ou aeronave crítica, atendendo ao regulamento da ICAO (International Civil Aviation Organization). Para melhorar o conforto, a segurança e eficiência dos serviços aéreos, o dimensionamento do aeroporto deve obedecer aos princípios e regras da ICAO. Pretende-se também a modelação de uma solução de reforço para o pavimento existente, para que não seja necessário construir um aeroporto de raiz, minimizando custos. Após a realização do dimensionamento, foi estudada a sinalização horizontal e luminosa da pista, para que esteja em conformidade com as suas novas medidas.

Aperfeiçoamento dos Métodos Utilizados, para a Orçamentação e Planeamento de Obras Rodoviárias

Este relatório foi realizado no âmbito da unidade curricular de DIPRE (Dissertação/Projecto/Estágio) lecionada no Mestrado em Engenharia Civil – Infraestruturas, no Instituto Superior de Engenharia do Porto. O estágio foi realizado na Divisão Municipal de Obras e Iluminação Pública, na Câmara Municipal do Porto. Neste relatório procurou-se descrever e caracterizar todos os tipos de pavimentos, desenvolver e estudar novas técnicas de orçamentação e planeamento, e ainda analisar vários casos para mostrar a validade do que se realizou. Este relatório inicia-se com uma primeira parte de âmbito teórico, em que se faz referência aos diferentes tipos de pavimentos, analisando-se o seu comportamento, execução, patologias e métodos de dimensionamento. Para além disso faz-se a interpretação do Decreto-Lei nº 163/2006 e das questões de mobilidade urbana. Para o estágio foram necessárias diversas ferramentas de trabalho, não só fornecidas pela Divisão Municipal de Obras e Iluminação Pública, mas também propostas e exploradas pelo aluno. Com estas ferramentas conseguiu-se desenvolver um novo método de orçamentação, estudando os Rendimentos dos operários para um maior rigor nas estimativas de custo efetuadas. As soluções que se apresentam para mostrar o trabalho desenvolvido foram escolhidas de acordo com a sua importância e abrangência para demonstrar tudo o que foi acompanhado e realizado durante o estágio. Começando pela Rua do Dr. Magalhães Lemos, que foi selecionada porque houve a oportunidade de acompanhar e fiscalizar uma obra que contempla a execução de dois pavimentos distintos, o pavimento flexível e o rígido, em Betão Armado Contínuo. Optou-se também por selecionar dois casos de melhoria da acessibilidade no centro da cidade, porque foram dois projetos desenvolvidos pelo aluno em que se conseguiu explorar as diferentes decisões que teve de se tomar. Por fim, apresenta-se o estudo do dimensionamento da Rua de Santo Ildefonso de acordo com as diretrizes da Câmara Municipal do Porto no percurso académico.