A comprehensive simulation study of slotted CSMA/CA for IEEE 802.15.4 wireless sensor networks

In this paper, we analyze the performance limits of the slotted CSMA/CA mechanism of IEEE 802.15.4 in the beacon-enabled mode for broadcast transmissions in WSNs. The motivation for evaluating the beacon-enabled mode is due to its flexibility for WSN applications as compared to the non-beacon enabled mode. Our analysis is based on an accurate simulation model of the slotted CSMA/CA mechanism on top of a realistic physical layer, with respect to the IEEE 802.15.4 standard specification. The performance of the slotted CSMA/CA is evaluated and analyzed for different network settings to understand the impact of the protocol attributes (superframe order, beacon order and backoff exponent) on the network performance, namely in terms of throughput (S), average delay (D) and probability of success (Ps). We introduce the concept of utility (U) as a combination of two or more metrics, to determine the best offered load range for an optimal behavior of the network. We show that the optimal network performance using slotted CSMA/CA occurs in the range of 35% to 60% with respect to an utility function proportional to the network throughput (S) divided by the average delay (D).

Energy and delay trade-off of the GTS allocation mechanism in IEEE 802.15.4 for wireless sensor networks

The IEEE 802.15.4 protocol proposes a flexible communication solution for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPAN) including wireless sensor networks (WSNs). It presents the advantage to fit different requirements of potential applications by adequately setting its parameters. When in beaconenabled mode, the protocol can provide timeliness guarantees by using its Guaranteed Time Slot (GTS) mechanism. However, power-efficiency and timeliness guarantees are often two antagonistic requirements in wireless sensor networks. The purpose of this paper is to analyze and propose a methodology for setting the relevant parameters of IEEE 802.15.4-compliant WSNs that takes into account a proper trade-off between power-efficiency and delay bound guarantees. First, we propose two accurate models of service curves for a GTS allocation as a function of the IEEE 802.15.4 parameters, using Network Calculus formalism. We then evaluate the delay bound guaranteed by a GTS allocation and express it as a function of the duty cycle. Based on the relation between the delay requirement and the duty cycle, we propose a power-efficient superframe selection method that simultaneously reduces power consumption and enables meeting the delay requirements of real-time flows allocating GTSs. The results of this work may pave the way for a powerefficient management of the GTS mechanism in an IEEE 802.15.4 cluster.

An IEEE 802.15.4 protocol implementation (in nesC/TinyOS): reference guide v1.0

This technical report is to provide a reference guide to the implementation of the IEEE 802.15.4 protocol in nesC/TinyOS for the MICAz motes. The implementation is provided as a tool that can be used to implement, test and evaluate the current functionalities defined in the protocol standard as well as to enable the development of functionalities not yet implemented and new add-ons to the protocol.

On the performance limits of slotted CSMA/CA in IEEE 802.15.4 for broadcast transmissions in wireless sensor networks

The IEEE 802.15.4 has been adopted as a communication protocol standard for Low-Rate Wireless Private Area Networks (LRWPANs). While it appears as a promising candidate solution for Wireless Sensor Networks (WSNs), its adequacy must be carefully evaluated. In this paper, we analyze the performance limits of the slotted CSMA/CA medium access control (MAC) mechanism in the beacon-enabled mode for broadcast transmissions in WSNs. The motivation for evaluating the beacon-enabled mode is due to its flexibility and potential for WSN applications as compared to the non-beacon enabled mode. Our analysis is based on an accurate simulation model of the slotted CSMA/CA mechanism on top of a realistic physical layer, with respect to the IEEE 802.15.4 standard specification. The performance of the slotted CSMA/CA is evaluated and analyzed for different network settings to understand the impact of the protocol attributes (superframe order, beacon order and backoff exponent), the number of nodes and the data frame size on the network performance, namely in terms of throughput (S), average delay (D) and probability of success (Ps). We also analytically evaluate the impact of the slotted CSMA/CA overheads on the saturation throughput. We introduce the concept of utility (U) as a combination of two or more metrics, to determine the best offered load range for an optimal behavior of the network. We show that the optimal network performance using slotted CSMA/CA occurs in the range of 35% to 60% with respect to an utility function proportional to the network throughput (S) divided by the average delay (D).

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.

Beacon scheduling in cluster-tree IEEE 802.15.4/ZigBee wireless sensor networks

The recently standardized IEEE 802.15.4/Zigbee protocol stack offers great potentials for ubiquitous and pervasive computing, namely for Wireless Sensor Networks (WSNs). However, there are still some open and ambiguous issues that turn its practical use a challenging task. One of those issues is how to build a synchronized multi-hop cluster-tree network, which is quite suitable for QoS support in WSNs. In fact, the current IEEE 802.15.4/Zigbee specifications restrict the synchronization in the beacon-enabled mode (by the generation of periodic beacon frames) to star-based networks, while it supports multi-hop networking using the peer-to-peer mesh topology, but with no synchronization. Even though both specifications mention the possible use of cluster-tree topologies, which combine multi-hop and synchronization features, the description on how to effectively construct such a network topology is missing. This report tackles this problem, unveils the ambiguities regarding the use of the cluster-tree topology and proposes two collisionfree beacon frame scheduling schemes.

An embedded 1149.4 extension to support mixed-signal debugging

Debugging electronic circuits is traditionally done with bench equipment directly connected to the circuit under debug. In the digital domain, the difficulties associated with the direct physical access to circuit nodes led to the inclusion of resources providing support to that activity, first at the printed circuit level, and then at the integrated circuit level. The experience acquired with those solutions led to the emergence of dedicated infrastructures for debugging cores at the system-on-chip level. However, all these developments had a small impact in the analog and mixed-signal domain, where debugging still depends, to a large extent, on direct physical access to circuit nodes. As a consequence, when analog and mixed-signal circuits are integrated as cores inside a system-on-chip, the difficulties associated with debugging increase, which cause the time-to-market and the prototype verification costs to also increase. The present work considers the IEEE1149.4 infrastructure as a means to support the debugging of mixed-signal circuits, namely to access the circuit nodes and also an embedded debug mechanism named mixed-signal condition detector, necessary for watch-/breakpoints and real-time analysis operations. One of the main advantages associated with the proposed solution is the seamless migration to the system-on-chip level, as the access is done through electronic means, thus easing debugging operations at different hierarchical levels.

Industrie 4.0 Framework, Challenges and Perspectives

The world is increasingly in a global community. The rapid technological development of communication and information technologies allows the transmission of knowledge in real-time. In this context, it is imperative that the most developed countries are able to develop their own strategies to stimulate the industrial sector to keep up-to-date and being competitive in a dynamic and volatile global market so as to maintain its competitive capacities and by consequence, permits the maintenance of a pacific social state to meet the human and social needs of the nation. The path traced of competitiveness through technological differentiation in industrialization allows a wider and innovative field of research. Already we are facing a new phase of organization and industrial technology that begins to change the way we relate with the industry, society and the human interaction in the world of work in current standards. This Thesis, develop an analysis of Industrie 4.0 Framework, Challenges and Perspectives. Also, an analysis of German reality in facing to approach the future challenge in this theme, the competition expected to win in future global markets, points of domestic concerns felt in its industrial fabric household face this challenge and proposes recommendations for a more effective implementation of its own strategy. The methods of research consisted of a comprehensive review and strategically analysis of existing global literature on the topic, either directly or indirectly, in parallel with the analysis of questionnaires and data analysis performed by entities representing the industry at national and world global placement. The results found by this multilevel analysis, allowed concluding that this is a theme that is only in the beginning for construction the platform to engage the future Internet of Things in the industrial environment Industrie 4.0. This dissertation allows stimulate the need of achievements of more strategically and operational approach within the society itself as a whole to clarify the existing weaknesses in this area, so that the National Strategy can be implemented with effective approaches and planned actions for a direct training plan in a more efficiently path in education for the theme.

Effect of selenization conditions on the growth and properties of Cu2ZnSn(S,Se)4 thin films

The opto-electronic properties of copper zinc tin sulfide can be tuned to achieve better cell efficiencies by controlled incorporation of selenium. In this paper we report the growth of Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTSSe) using a hybrid process involving the sequential evaporation of Zn and sputtering of the sulfide precursors of Cu and Sn, followed by a selenization step. Two approaches for selenization were followed, one using a tubular furnace and the other using a rapid thermal processor. The effects of annealing conditions on the morphological and structural properties of the films were investigated. Scanning electron microscopy and energy dispersive spectroscopy were employed to investigate the morphology and composition of the films. Structural analyses were done using X-ray diffraction (XRD) and Raman spectroscopy. Structural analyses revealed the formation of CZTSSe. This study shows that regardless of the selenization method a temperature above 450 °C is required for conversion of precursors to a compact CZTSSe layer. XRD and Raman analysis suggests that the films selenized in the tubular furnace are selenium rich whereas the samples selenized in the rapid thermal processor have higher sulfur content.

Electrochemical sensor for simultaneous determination of herbicide MCPA and its metabolite 4-chloro-2-methylphenol. Application to photodegradation environmental monitoring

The development and application of a polyaniline/carbon nanotube (CNT) cyclodextrin matrix (PANI-β-CD/MWCNT)-based electrochemical sensor for the quantitative determination of the herbicide 4-chloro-2-methylphenoxyacetic acid (MCPA) and its main transformation product 4-chloro-2-methylphenol in natural waters are described. A simple cyclic voltammetry-based electrochemical methodology, in phosphate buffer solution at pH 6.0, was used to develop a method to determine both MCPA and 4-chloro-2-methylphenol, without any previous extraction or derivatization steps. A linear concentration range (10 to 50 μmol L−1) and detection limits of 1.1 and 1.9 μmol L−1, respectively, were achieved using optimized cyclic voltammetric parameters. The proposed method was successfully applied to the determination of MCPA and 4-chloro-2-methylphenol in natural water samples with satisfactory recoveries (94 to 107 %) and in good agreement with the results obtained by an established high-performance liquid chromatography technique, no significant differences being found between the methods. Interferences from ionic species and other herbicides used for broad-leaf weed control were shown to be small. The newly developed methodology was also successfully applied to MCPA photodegradation environmental studies.

A implementação de um programa de tutoria de pares na construção de textos narrativos em alunos do 4.º ano, com e sem Necessidades Adicionais de Suporte

O presente estudo teve como finalidade avaliar a implementação da estratégia de tutoria de pares (TP), em sala de aula, na construção de textos narrativos, em alunos com e sem Necessidades Adicionais de Suporte (NAS). Foi realizado com um grupo de 24 alunos do 4º ano de escolaridade, numa instituição do Porto, Portugal. Desenvolveram-se oito intervenções, sendo a primeira o pré-teste (texto escrito sem a estratégia de TP), a segunda a apresentação da TP e as restantes de implementação da estratégia (intervenção I e II e pós-teste). Os alunos foram agrupados em pares e ambos tiveram os papéis de tutor e de tutorado. As questões que orientaram o estudo foram: Em contexto de sala de aula, a estratégia de tutoria de pares melhora a escrita de textos narrativos?, A estratégia de tutoria de pares promove a inclusão? e A estratégia de tutoria de pares é um instrumento exequível em sala de aula? Os resultados demonstraram que a estratégia é motivadora para os alunos e promove interações positivas entre eles. O aluno Alvo (com NAS) obteve resultados positivos tanto na melhoria da escrita de textos como no aumento do sentido de pertença às atividades da turma. Para além disso, a estratégia mostrou-se exequível em contexto escolar. Compreendemos que as sessões foram escassas para aferir se a estratégia de TP foi eficaz na consistente melhoria da escrita de textos. Torna-se, por isso, importante que mais estudos se realizem neste domínio em Portugal, de modo a consolidar as conclusões desta estratégia.

Geometria: um estudo sobre quadriláteros no 4.º ano de escolaridade com recurso ao geoplano e ao GeoGebra

O presente estudo foi desenvolvido no âmbito do Mestrado de Didática da Matemática e Ciências da Natureza, no 1.º e 2.º Ciclos, no domínio da Geometria. Tem como principal objetivo compreender e analisar, através da implementação de uma sequência de tarefas de investigação e exploração, de que forma o processo de ensino e aprendizagem dos alunos, na área dos quadriláteros, com os recursos GeoGebra e o Geoplano, contribui para o desenvolvimento do raciocínio geométrico. Neste sentido, definiram-se as seguintes questões de investigação: (1) Qual a imagem concetual que os alunos possuem de cada um dos quadriláteros? (2) Que conhecimentos têm os alunos sobre as propriedades dos quadriláteros: quadrados, retângulos e losangos? (3) Quais os contributos do Geoplano e do GeoGebra na compreensão e identificação das propriedades dos quadriláteros? A metodologia adotada foi de natureza qualitativa, do tipo interpretativo, baseada em dois estudos de caso. Na recolha de dados, foram utilizados os seguintes instrumentos: observação, questionário, documentos produzidos pelos alunos, entrevistas informais, registos áudio e fotografias aos trabalhos realizados. Na análise dos dados, procurou-se descrever e interpretar os dados recolhidos, no âmbito do objeto do estudo. Os resultados mostraram que a sequência de tarefas e o modo como foram desenvolvidas foram fundamentais na compreensão dos conteúdos trabalhados. Regista-se também que os recursos utilizados motivaram os alunos e contribuíram para a interação, como também para a compreensão dos conceitos geométricos. Por outro lado, a utilização do GeoGebra e do Geoplano contribuíram para o desenvolvimento do raciocínio espacial e geométrico.

Dimensionamento de ligações aço-betão segundo a prEN1992-4:2013

O presente relatório documenta o estágio desenvolvido na empresa SE2P – Sociedade de Engenharia, Projeto e Planeamento Lda. no âmbito da unidade curricular de DIPRE (Dissertação/Projeto/ Estágio) do Mestrado em Engenharia Civil – Ramo de Estruturas do Instituto Superior de Engenharia do Porto. A frequência no estágio curricular teve como objetivo principal o desenvolvimento de uma ferramenta de cálculo que permitisse o dimensionamento de ligações aço-betão segundo a prEN1992-4:2013. O desenvolvimento desta ferramenta resulta da necessidade do dimensionamento de soluções leves, económicas e esteticamente agradáveis tendo em conta a uniformização da legislação existente em toda a União Europeia. Atualmente, os projetistas têm utilizado programas de cálculo automático desenvolvidos por fabricantes de sistemas de ancoragens, como é o caso do Profis Anchor da Hilti. Esses programas de cálculo têm como base de dados as Diretrizes de Aprovação Técnica Europeia, a ETAG001- anexo C para dimensionamento de ancoragens mecânicas em betão e o relatório técnico EOTA TR029 para o dimensionamento de ancoragens químicas, apresentando até métodos de cálculo simplificados para uma rápida resposta ao cliente. A publicação da prEN1992-4:2013 é um marco importante, pois há já algum tempo que a construção metálica e mista está regulamentada apresentando algumas falhas no que diz respeito às ligações aço-betão. Esta norma é o culminar de anos de pesquisas, estudos e testes efetuados aos diferentes tipos de ligação tendo em conta além dos modos de rotura possíveis, os princípios de transferência de esforços.

O impacto da liderança na motivação dos profissionais de hotelaria do Grande Porto: o caso de um hotel 4****

A liderança e a motivação são aspetos essenciais no alcance do sucesso das organizações. Os líderes alcançaram um papel de destaque nas organizações, quer através da tomada de decisões estratégicas, quer na motivação dos colaboradores. Os conceitos e o entendimento da liderança têm vindo a mudar no decurso do tempo. E sugere que, provavelmente, a liderança adquirirá novos significados e será alvo de novas abordagens no futuro. Porque as sociedades, as organizações e as pessoas mudam, é presumível que novas janelas de compreensão venham a ser abertas. Atendendo a que vivemos numa era de globalização, em que a tecnologia, as estratégias e a estrutura das organizações são quase uniformes, a verdadeira vantagem competitiva só poderá surgir das competências dos recursos humanos. Os líderes também alcançaram um papel de destaque nas organizações, quer através da tomada de decisões estratégicas, quer na motivação dos colaboradores, motivação esta que é o motor que potencia capacidade para que os colaboradores sejam persistentes visando alcançar os seus objetivos. Na indústria hoteleira, objeto de estudo da presente investigação, um dos desafios permanentes é proporcionar níveis consistentes de qualidade de serviço. Esse segmento é profundamente afetado pelo comportamento dos seus líderes e das suas características pessoais e especialmente pela maneira como influenciam os seus colaboradores a alcançarem um resultado. Sendo assim, a presente dissertação tem como objetivo geral conhecer, identificar e analisar os estilos e comportamentos de liderança praticados pelos líderes dos vários departamentos de uma unidade hoteleira do Grande Porto. Para isso, recorremos ao estudo de caso, que inclui as metodologias quantitativa e qualitativa, por forma a identificar o(s) estilo(s) de liderança presente(s) no hotel. As conclusões que resultaram da aplicação das entrevistas e do inquérito por questionário mostram que o líder atual da unidade hoteleira em estudo é o líder democrático.

Comparação dos métodos ENF e 4-ENF para determinação da tenacidade ao corte de juntas adesivas

Ao longo destes últimos anos as ligações adesivas têm vindo a verificar um aumento progressivo em aplicações estruturais em detrimento das ligações mecânicas convencionais. Esta alteração de paradigma deve-se às vantagens que as juntas adesivas possuem relativamente aos outros métodos de ligação. A mecânica da fratura e os Modelos de Dano Coesivo (MDC) são critérios comuns para prever a resistência em juntas adesivas e usam como parâmetros fundamentais as taxas de libertação de energia. Pelo facto do ensaio 4-Point End Notched Flexure (4-ENF), aplicado em juntas adesivas, ainda estar pouco estudado é de grande relevância um estudo acerca da sua viabilidade para a determinação da taxa crítica de libertação de energia de deformação ao corte (GIIc). Esta dissertação tem como objetivo principal efetuar uma comparação entre os métodos End- Notched Flexure (ENF) e 4-ENF na determinação de GIIc em juntas adesivas. Para tal foram utilizados 3 adesivos: Araldite® AV138, Araldite® 2015 e SikaForce® 7752. O trabalho experimental passou pela conceção e fabrico de uma ferramenta para realização do ensaio 4-ENF, seguindo-se o fabrico e a preparação dos provetes para os ensaios. Pelo facto do ensaio 4-ENF ainda se encontrar pouco divulgado em juntas adesivas, e não se encontrar normalizado, uma parte importante do trabalho passou pela pesquisa e análise em trabalhos de investigação e artigos científicos. A análise dos resultados foi realizada por comparação direta dos valores de GIIc com os resultados obtidos no ensaio ENF, sendo realizada por série de adesivo, através da comparação das curvas P-δ e curvas-R. Como resultado verificou-se que o ensaio 4-ENF em ligações adesivas não é o mais versátil para a determinação do valor de GIIc, e que apenas um método de obtenção de GIIc é viável. Este método é baseado na medição do comprimento de fenda (a). Ficou evidenciado que o ensaio ENF, devido a ser um ensaio normalizado, por apresentar um setup mais simples e por apresentar uma maior disponibilidade de métodos para a determinação do valor de GIIc, é o mais recomendado. Conclui-se assim que o ensaio 4-ENF, embora sendo uma alternativa ao ensaio ENF, tem aplicação mais limitada.