IEEE 802.15.4: a Federating Communication Protocol for Time-Sensitive Wireless Sensor Networks

Wireless Sensor Networks (WSNs) have been attracting increasing interests for developing a new generation of embedded systems with great potential for many applications such as surveillance, environment monitoring, emergency medical response and home automation. However, the communication paradigms in WSNs differ from the ones attributed to traditional wireless networks, triggering the need for new communication protocols. In this context, the recently standardised IEEE 802.15.4 protocol presents some potentially interesting features for deployment in wireless sensor network applications, such as power-efficiency, timeliness guarantees and scalability. Nevertheless, when addressing WSN applications with (soft/hard) timing requirements some inherent paradoxes emerge, such as power-efficiency versus timeliness, triggering the need of engineering solutions for an efficient deployment of IEEE 802.15.4 in WSNs. In this technical report, we will explore the most relevant characteristics of the IEEE 802.15.4 protocol for wireless sensor networks and present the most important challenges regarding time-sensitive WSN applications. We also provide some timing performance and analysis of the IEEE 802.15.4 that unveil some directions for resolving the previously mentioned paradoxes.

Fractional order calculus: basic concepts and engineering applications

The fractional order calculus (FOC) is as old as the integer one although up to recently its application was exclusively in mathematics. Many real systems are better described with FOC differential equations as it is a well-suited tool to analyze problems of fractal dimension, with long-term “memory” and chaotic behavior. Those characteristics have attracted the engineers' interest in the latter years, and now it is a tool used in almost every area of science. This paper introduces the fundamentals of the FOC and some applications in systems' identification, control, mechatronics, and robotics, where it is a promissory research field.

Characterization of aluminium single-lap joints for high temperature applications

In this study, an experimental investigation into the shear strength behaviour of aluminium alloy single-lap adhesive joints was carried out in order to understand the effect of temperature on the strength of adhesively bonding joints. Single lap joints (SLJs) were fabricated and tested at RT and high temperatures (100ºC, 125ºC, 150ºC, 175ºC and 200ºC). Results showed that the failure loads of the single-lap joint test specimens vary with temperature and this needs to be considered in any design procedure. It is shown that, although the tensile stress decreased with temperature, the lap-shear strength of the adhesive increased with increasing of temperature up to the glass transition of the adhesive (Tg) and decreased for tests above the Tg.

A survey of technologies and applications for climbing robots locomotion and adhesion

The interest in the development of climbing robots has grown rapidly in the last years. Climbing robots are useful devices that can be adopted in a variety of applications, such as maintenance and inspection in the process and construction industries. These systems are mainly adopted in places where direct access by a human operator is very expensive, because of the need for scaffolding, or very dangerous, due to the presence of an hostile environment. The main motivations are to increase the operation efficiency, by eliminating the costly assembly of scaffolding, or to protect human health and safety in hazardous tasks. Several climbing robots have already been developed, and other are under development, for applications ranging from cleaning to inspection of difficult to reach constructions. A wall climbing robot should not only be light, but also have large payload, so that it may reduce excessive adhesion forces and carry instrumentations during navigation. These machines should be capable of travelling over different types of surfaces, with different inclinations, such as floors, walls, or ceilings, and to walk between such surfaces (Elliot et al. (2006); Sattar et al. (2002)). Furthermore, they should be able of adapting and reconfiguring for various environment conditions and to be self-contained. Up to now, considerable research was devoted to these machines and various types of experimental models were already proposed (according to Chen et al. (2006), over 200 prototypes aimed at such applications had been developed in the world by the year 2006). However, we have to notice that the application of climbing robots is still limited. Apart from a couple successful industrialized products, most are only prototypes and few of them can be found in common use due to unsatisfactory performance in on-site tests (regarding aspects such as their speed, cost and reliability). Chen et al. (2006) present the main design problems affecting the system performance of climbing robots and also suggest solutions to these problems. The major two issues in the design of wall climbing robots are their locomotion and adhesion methods. With respect to the locomotion type, four types are often considered: the crawler, the wheeled, the legged and the propulsion robots. Although the crawler type is able to move relatively faster, it is not adequate to be applied in rough environments. On the other hand, the legged type easily copes with obstacles found in the environment, whereas generally its speed is lower and requires complex control systems. Regarding the adhesion to the surface, the robots should be able to produce a secure gripping force using a light-weight mechanism. The adhesion method is generally classified into four groups: suction force, magnetic, gripping to the surface and thrust force type. Nevertheless, recently new methods for assuring the adhesion, based in biological findings, were proposed. The vacuum type principle is light and easy to control though it presents the problem of supplying compressed air. An alternative, with costs in terms of weight, is the adoption of a vacuum pump. The magnetic type principle implies heavy actuators and is used only for ferromagnetic surfaces. The thrust force type robots make use of the forces developed by thrusters to adhere to the surfaces, but are used in very restricted and specific applications. Bearing these facts in mind, this chapter presents a survey of different applications and technologies adopted for the implementation of climbing robots locomotion and adhesion to surfaces, focusing on the new technologies that are recently being developed to fulfill these objectives. The chapter is organized as follows. Section two presents several applications of climbing robots. Sections three and four present the main locomotion principles, and the main "conventional" technologies for adhering to surfaces, respectively. Section five describes recent biological inspired technologies for robot adhesion to surfaces. Section six introduces several new architectures for climbing robots. Finally, section seven outlines the main conclusions.

Some applications of fractional calculus in engineering

Fractional Calculus FC goes back to the beginning of the theory of differential calculus. Nevertheless, the application of FC just emerged in the last two decades, due to the progress in the area of chaos that revealed subtle relationships with the FC concepts. In the field of dynamical systems theory some work has been carried out but the proposed models and algorithms are still in a preliminary stage of establishment. Having these ideas in mind, the paper discusses FC in the study of system dynamics and control. In this perspective, this paper investigates the use of FC in the fields of controller tuning, legged robots, redundant robots, heat diffusion, and digital circuit synthesis.

Hand gesture recognition system based in computer vision and machine learning : applications on human-machine interaction

Sendo uma forma natural de interação homem-máquina, o reconhecimento de gestos implica uma forte componente de investigação em áreas como a visão por computador e a aprendizagem computacional. O reconhecimento gestual é uma área com aplicações muito diversas, fornecendo aos utilizadores uma forma mais natural e mais simples de comunicar com sistemas baseados em computador, sem a necessidade de utilização de dispositivos extras. Assim, o objectivo principal da investigação na área de reconhecimento de gestos aplicada à interacção homemmáquina é o da criação de sistemas, que possam identificar gestos específicos e usálos para transmitir informações ou para controlar dispositivos. Para isso as interfaces baseados em visão para o reconhecimento de gestos, necessitam de detectar a mão de forma rápida e robusta e de serem capazes de efetuar o reconhecimento de gestos em tempo real. Hoje em dia, os sistemas de reconhecimento de gestos baseados em visão são capazes de trabalhar com soluções específicas, construídos para resolver um determinado problema e configurados para trabalhar de uma forma particular. Este projeto de investigação estudou e implementou soluções, suficientemente genéricas, com o recurso a algoritmos de aprendizagem computacional, permitindo a sua aplicação num conjunto alargado de sistemas de interface homem-máquina, para reconhecimento de gestos em tempo real. A solução proposta, Gesture Learning Module Architecture (GeLMA), permite de forma simples definir um conjunto de comandos que pode ser baseado em gestos estáticos e dinâmicos e que pode ser facilmente integrado e configurado para ser utilizado numa série de aplicações. É um sistema de baixo custo e fácil de treinar e usar, e uma vez que é construído unicamente com bibliotecas de código. As experiências realizadas permitiram mostrar que o sistema atingiu uma precisão de 99,2% em termos de reconhecimento de gestos estáticos e uma precisão média de 93,7% em termos de reconhecimento de gestos dinâmicos. Para validar a solução proposta, foram implementados dois sistemas completos. O primeiro é um sistema em tempo real capaz de ajudar um árbitro a arbitrar um jogo de futebol robótico. A solução proposta combina um sistema de reconhecimento de gestos baseada em visão com a definição de uma linguagem formal, o CommLang Referee, à qual demos a designação de Referee Command Language Interface System (ReCLIS). O sistema identifica os comandos baseados num conjunto de gestos estáticos e dinâmicos executados pelo árbitro, sendo este posteriormente enviado para um interface de computador que transmite a respectiva informação para os robôs. O segundo é um sistema em tempo real capaz de interpretar um subconjunto da Linguagem Gestual Portuguesa. As experiências demonstraram que o sistema foi capaz de reconhecer as vogais em tempo real de forma fiável. Embora a solução implementada apenas tenha sido treinada para reconhecer as cinco vogais, o sistema é facilmente extensível para reconhecer o resto do alfabeto. As experiências também permitiram mostrar que a base dos sistemas de interação baseados em visão pode ser a mesma para todas as aplicações e, deste modo facilitar a sua implementação. A solução proposta tem ainda a vantagem de ser suficientemente genérica e uma base sólida para o desenvolvimento de sistemas baseados em reconhecimento gestual que podem ser facilmente integrados com qualquer aplicação de interface homem-máquina. A linguagem formal de definição da interface pode ser redefinida e o sistema pode ser facilmente configurado e treinado com um conjunto de gestos diferentes de forma a serem integrados na solução final.

Ferramenta de estudo para alunos de medicina na especialidade de dermatologia

A vulgarização do uso de dispositivos móveis promoveu a proliferação de aplicações dos mais diversos âmbitos para estes dispositivos não sendo a área clínica uma excepção. Tanto a nível profissional, como a nível de ensino, as tecnologias móveis foram já há muito adoptadas nesta área para as mais diversas finalidades. O trabalho aqui apresentado pretende essencialmente provar a real importância desempenhada pelo mobile learning no contexto da aprendizagem clínica. Mais do que implementar um simples recurso educativo, pretendeu-se conceber um sistema integrado que respondesse a todas as necessidades do aluno quer durante o estudo nas suas diversas fases e locais, como também no próprio serviço hospitalar onde se encontre a desempenhar funções como interno da especialidade. Após uma exaustiva análise das aplicações móveis relevantes da área médica, verificou-se a inexistência de uma ferramenta integradora de vários módulos de aprendizagem com um custo comportável para a maioria dos alunos. Desta forma, idealizou-se uma aplicação capaz de superar esta lacuna que será detalhada ao longo desta tese. Para o desenvolvimento deste trabalho contou-se com a preciosa colaboração dos possíveis utilizadores finais desta ferramenta uma vez que a escolha dos módulos a integrar foi essencialmente baseada nas suas opiniões. Ainda no âmbito desta tese, encontra-se a avaliação do protótipo por parte dos alunos. Esta avaliação pretende validar a efectiva importância de uma ferramenta desta natureza para um aluno de medicina assim como o impacto que o protótipo teve na sua opinião acerca do conceito de mobile learning na aprendizagem clínica. Com vista a uma futura implementação de um recurso educativo deste âmbito, foram também recolhidos os pontos negativos e positivos mais relevantes para o aluno. Em suma, este trabalho valida a importância do papel que as aplicações de aprendizagem para dispositivos móveis podem desempenhar para um aluno de medicina tanto nos seus locais de estudo, como no serviço onde se possa encontrar.

Climbing robots: a survey of technologies and applications

The interest in the development of climbing robots is growing rapidly. Motivations are typically to increase the operation efficiency by obviating the costly assembly of scaffolding or to protect human health and safety in hazardous tasks. Climbing robots are starting to be developed for applications ranging from cleaning to inspection of difficult to reach constructions. These robots should be capable of travelling on different types of surfaces, with varying inclinations, such as floors, walls, ceilings, and to walk between such surfaces. Furthermore, these machines should be capable of adapting and reconfiguring for various environment conditions and to be self-contained. Regarding the adhesion to the surface, they should be able to produce a secure gripping force using a light-weight mechanism. This paper presents a survey of different applications and technologies proposed for the implementation of climbing robots.

Discretization of complex-order algorithms for control applications

In this article we describe several methods for the discretization of the differintegral operator sa, where α = u + jv is a complex value. The concept of the conjugated-order differintegral is also introduced, which enables the use of complex-order differintegrals while still producing real-valued time responses and transfer functions. The performance of the resulting approximations is analysed in both the time and frequency domains. Several results are presented that demonstrate its utility in control system design.

Sistemas de prevenção de cuidados de saúde

A tomada de decisão na saúde pode-se tornar um processo complexo e moroso. A complexidade associada ao processo de decisão na saúde advém da diversidade de opções clinicamente razoáveis, ou seja, nenhuma opção se sobrepõem _a outra, visto que cada uma possui os seus riscos e benefícios, que são normalmente interpretados de modo diferente entre os indivíduos. Desta forma, cabe ao paciente e _a sua equipa médica optarem pela opção que melhor se enquadra na situação clínica do paciente Para tornar este processo menos complexo, cada vez mais se utiliza as chamadas "ferramentas de decisão", que se caraterizam por fornecer informação sobre as diferentes opções clínicas, traduzindo-se numa diminuição da dificuldade da tomada de decisão. De uma forma geral, as ferramentas de decisão são desenvolvidas com o intuito de facilitar a tomada de decisão, através do aumento do conhecimento científico sobre um determinado problema (tomada de decisão informada) e uma mudança de atitude do paciente face aos seus cuidados de saúde. Na realização da presente dissertação foi desenvolvido um sistema de informação na web, que engloba informação relativa ao rastreio do cancro da próstata. Este sistema também surge acoplado a um conjunto de componentes de decisão, que têm como objetivo auxiliar os indivíduos no processo de decisão para a realização do rastreio do cancro da próstata, assim como a prevenção de doenças relacionadas com a próstata. A implementação desta aplicação web teve como base as necessidades do indivíduo, ou seja informações clínicas sobre possíveis riscos e benefícios associados ao rastreio, assim como fornecer uma maior interatividade com o utilizador. A primeira versão da aplicação já foi testada e avaliada através da participação de um conjunto de indivíduos que compõem o público-alvo para este tipo de aplicações. Os resultados obtidos permitiram concluir que os requisitos definidos para esta aplicação, permitem o aumento do conhecimento do indivíduo e o auxílio na tomada de decisão para a realização do rastreio do cancro da próstata.

Effect of temperature on the shear strength of aluminium single lap bonded joints for high temperature applications

An experimental and numerical investigation into the shear strength behaviour of adhesive single lap joints (SLJs) was carried out in order to understand the effect of temperature on the joint strength. The adherend material used for the experimental tests was an aluminium alloy in the form of thin sheets, and the adhesive used was a high-strength high temperature epoxy. Tensile tests as a function of temperature were performed and numerical predictions based on the use of a bilinear cohesive damage model were obtained. It is shown that at temperatures below Tg, the lap shear strength of SLJs increased, while at temperatures above Tg, a drastic drop in the lap shear strength was observed. Comparison between the experimental and numerical maximum loads representing the strength of the joints shows a reasonably good agreement.