Improving quality-of-service in wireless sensor networks by mitigating “Hidden-Node Collisions”

Wireless sensor networks (WSNs) emerge as underlying infrastructures for new classes of large-scale networked embedded systems. However, WSNs system designers must fulfill the quality-of-service (QoS) requirements imposed by the applications (and users). Very harsh and dynamic physical environments and extremely limited energy/computing/memory/communication node resources are major obstacles for satisfying QoS metrics such as reliability, timeliness, and system lifetime. The limited communication range of WSN nodes, link asymmetry, and the characteristics of the physical environment lead to a major source of QoS degradation in WSNs-the ldquohidden node problem.rdquo In wireless contention-based medium access control (MAC) protocols, when two nodes that are not visible to each other transmit to a third node that is visible to the former, there will be a collision-called hidden-node or blind collision. This problem greatly impacts network throughput, energy-efficiency and message transfer delays, and the problem dramatically increases with the number of nodes. This paper proposes H-NAMe, a very simple yet extremely efficient hidden-node avoidance mechanism for WSNs. H-NAMe relies on a grouping strategy that splits each cluster of a WSN into disjoint groups of non-hidden nodes that scales to multiple clusters via a cluster grouping strategy that guarantees no interference between overlapping clusters. Importantly, H-NAMe is instantiated in IEEE 802.15.4/ZigBee, which currently are the most widespread communication technologies for WSNs, with only minor add-ons and ensuring backward compatibility with their protocols standards. H-NAMe was implemented and exhaustively tested using an experimental test-bed based on ldquooff-the-shelfrdquo technology, showing that it increases network throughput and transmission success probability up to twice the values obtained without H-NAMe. H-NAMe effectiveness was also demonstrated in a target tracking application with mobile robots - over a WSN deployment.

H-NAMe: specifying, implementing and testing 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 technical report tackles the hidden-node problem in WSNs and proposes HNAMe, 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 technical report will be quite useful in efficiently enabling IEEE 802.15.4/ZigBee as a WSN protocol.

Zigbee over tinyos: Implementation and experimental challenges

The IEEE 802.15.4/Zigbee protocols are a promising technology for Wireless Sensor Networks (WSNs). This paper shares our experience on the implementation and use of these protocols and related technologies in WSNs. We present problems and challenges we have been facing in implementing an IEEE 802.15.4/ZigBee stack for TinyOS in a two-folded perspective: IEEE 802.15.4/ZigBee protocol standards limitations (ambiguities and open issues) and technological limitations (hardware and software). Concerning the former, we address challenges for building scalable and synchronized multi-cluster ZigBee networks, providing a trade-off between timeliness and energy-efficiency. On the latter issue, we highlight implementation problems in terms of hardware, timer handling and operating system limitations. We also report on our experience from experimental test-beds, namely on physical layer aspects such as coexistence problems between IEEE 802.15.4 and 802.11 radio channels.

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

Eficiência energética, aplicação em edifícios de serviços: o caso do hospital do ICUF

Mestrado em Engenharia Electrotécnica – Sistemas Eléctricos de Energia

Dynamic cluster scheduling for cluster-tree WSNs

While Cluster-Tree network topologies look promising for WSN applications with timeliness and energy-efficiency requirements, we are yet to witness its adoption in commercial and academic solutions. One of the arguments that hinder the use of these topologies concerns the lack of flexibility in adapting to changes in the network, such as in traffic flows. This paper presents a solution to enable these networks with the ability to self-adapt their clusters’ duty-cycle and scheduling, to provide increased quality of service to multiple traffic flows. Importantly, our approach enables a network to change its cluster scheduling without requiring long inaccessibility times or the re-association of the nodes. We show how to apply our methodology to the case of IEEE 802.15.4/ZigBee cluster-tree WSNs without significant changes to the protocol. Finally, we analyze and demonstrate the validity of our methodology through a comprehensive simulation and experimental validation using commercially available technology on a Structural Health Monitoring application scenario.

Properties and Sustainability of Biodiesel from Animal Fats and Fish Oil

This work presents and analyses the fat and fuel properties and the methyl ester profile of biodiesel from animal fats and fish oil (beef tallow, pork lard, chicken fat and sardine oil). Also, their sustainability is evaluated in comparison with rapeseed biodiesel and fossil diesel, currently the dominant liquid fuels for transportation in Europe. Results show that from a technological point of view it is possible to use animal fats and fish oil as feedstock for biodiesel production. From the sustainability perspective, beef tallow biodiesel seems to be the most sustainable one, as its contribution to global warming has the same value of fossil diesel and in terms of energy efficiency it has the best value of the biodiesels under consideration. Although biodiesel is not so energy efficient as fossil diesel there is room to improve it, for example, by replacing the fossil energy used in the process with renewable energy generated using co-products (e.g. straw, biomass cake, glycerine).

Estudo e análise das centrais híbridas de energias renováveis

Com o aumento do preço da eletricidade e o fim dos combustíveis fósseis, associados à necessidade de Portugal reduzir a sua dependência energética do exterior, provoca a necessidade urgente de apostar nas energias renováveis. Perante este cenário, e assumindo que o custo da fatura energética, é para as empresas portuguesas um fator cada vez mais determinante para serem competitivas, devido aos aumentos consecutivos da energia nos últimos anos, bem como, a subida do imposto de valor acrescentado (IVA) de 6% para 23%. Outro aspeto importante é a eficiência energética como instrumento para reduzir os consumos de eletricidade. Com estas duas medidas: utilização de energias renováveis e o aumento da eficiência energética, são extremamente importantes para a redução da produção dos gases de efeito estufa (GEE). Consequentemente, as empresas terão de investir na produção da própria energia a partir de fontes renováveis, de modo a proporcionar um desenvolvimento sustentável, associado à redução da fatura energética. Esta dissertação propõe o dimensionamento de um sistema híbrido composto por tecnologia fotovoltaica e eólica, com e sem armazenamento de energia em baterias, adequado para reduzir uma parte dos consumos de uma empresa enquadrada no sector dos plásticos. O dimensionamento deste sistema, foi efetuado com recurso à caracterização dos consumos da empresa através da recolha de dados e leituras no local da instalação. Paralelamente, foi efetuada uma pesquisa em diversos fabricantes, de modo a identificar qual o sistema mais indicado a adotar, considerando painéis fotovoltaicos, turbinas eólicas, inversores e baterias. Com base nos dados recolhidos na empresa e referentes ao potencial eólico e solar para o distrito do Porto, em conjunto com as características técnicas dos equipamentos selecionados, foi delineado o sistema híbrido utilizando para o efeito um software de simulação e otimização de sistemas híbridos, denominado Hybrid Optimization Model for Eletric Renewable (HOMER). São apresentadas várias simulações para as diversas configurações escolhidas e estudos comparativos entre si, com o objetivo de reduzir o consumo de eletricidade da rede. Adicionalmente, foram realizadas duas configurações apenas com tecnologia fotovoltaica, de modo a efetuar uma análise comparativa entre um sistema híbrido e outro apenas com uma fonte renovável. Os resultados apresentados focaram-se no desempenho diário, mensal e anual, bem como, a produção individual de cada tecnologia evidenciada. Por último, procedeu-se ao estudo da viabilidade técnico-económica das configurações.

Auditoria à gestão de resíduos industriais

A presente dissertação foi realizada em colaboração com o grupo empresarial Monteiro, Ribas, tendo como principal objectivo a realização de uma auditoria à gestão dos resíduos industriais produzidos pelas suas fábricas localizadas na Estrada da Circunvalação, no Porto. Para cumprir este objectivo, inicialmente foi efectuado um levantamento das obrigações legais relativas aos resíduos e foram procuradas práticas aconselhadas para a gestão interna. Para cada uma das fábricas, verificaram-se, quais os resíduos produzidos e analisaram-se os seus percursos, considerando as suas origens, os locais e modos de acondicionamento na origem, os modos de transporte interno, os locais e modos de armazenagem preliminar, e ainda, as quantidades produzidas, os transportadores, os operadores finais e as operações finais de gestão, sendo que estas quatro últimas informações são relativas ao ano 2013. De seguida procedeu-se à realização da auditoria nas diferentes unidades, verificando o cumprimento dos requisitos legais e das boas práticas em matéria de gestão de resíduos. As principais não conformidades detectadas, comuns às várias unidades fabris foram a inexistência de local/recipiente definido para acondicionamento de alguns resíduos, a falta ou insuficiente identificação de recipientes/zonas de acondicionamento, a inexistência de bacias de retenção para resíduos líquidos perigosos, o facto de no transporte interno apenas os resíduos perigosos serem cobertos e, os resíduos líquidos perigosos não serem transportados sobre bacias de retenção móveis nem com o material necessário para absorver derrames. Para cada resíduo e para cada unidade industrial foram propostas medidas correctivas e/ou de melhoria, quando aplicável. Relativamente à armazenagem preliminar, a principal inconformidade detectada foi o facto de todos os parques (quatro) possuírem resíduos perigosos no momento das auditorias, o que não é adequado. Foram propostas medidas correctivas e/ou de melhoria para cada parque. Como proposta global, tendo em conta factores económicos e de segurança, sugeriu-se que apenas o parque de resíduos perigosos possa armazenar este tipo de resíduos, pelo que os procedimentos de transporte interno devem ser melhorados, fazendo com que estes resíduos sejam transportados directamente para o parque de resíduos perigosos. Desta forma dois dos parques devem sofrer algumas remodelações, nomeadamente serem cobertos e fechados, ainda que não totalmente, e o parque de resíduos perigosos deve ser fechado, mantendo aberturas para ventilação, deve ser equipado com kit´s de contenção de derrames, fichas de segurança, procedimentos a realizar em caso de emergência, e ainda, devido ao facto do sistema de contenção de derrames ser pequeno face ao total de armazenamento, aconselha-se o uso de bacias de retenção para alguns dos recipientes de resíduos líquidos perigosos. Ao longo deste processo e em consequência da realização da auditoria, algumas situações consideradas não conformes foram sendo corrigidas. Também foram preparadas instruções de trabalho adequadas que serão posteriormente disponibilizadas. Foi ainda elaborada uma metodologia de avaliação de processos como base de trabalho para redução dos resíduos gerados. A etapa escolhida para a aplicação da mesma foi uma etapa auxiliar do processo produtivo da Monteiro, Ribas - Revestimentos, S.A - a limpeza de cubas com solventes, por forma a tentar minimizar os resíduos de solventes produzidos nesta operação. Uma vez que a fábrica já realiza a operação tendo em consideração medidas de prevenção e reutilização, a reciclagem é neste momento a única forma de tentar minimizar os resíduos de solventes. Foram então estudadas duas opções, nomeadamente a aquisição de um equipamento de regeneração de solventes e a contratação de uma operadora que proceda à regeneração dos resíduos de solventes e faça o retorno do solvente regenerado. A primeira opção poderá permitir uma redução de cerca de 95% na produção de resíduos de solventes e na aquisição de solvente puro, estimando-se uma poupança anual de cerca de **** €, com um período de recuperação do capital de cerca de 16 meses e a segunda pode conduzir a uma redução significativa na aquisição de solvente puro, cerca de 65%, e a uma poupança anual de cerca de **** €.

O papel dos sistemas de Non-Intrusive Load Monitoring para a eficiência energética do setor residencial

A sustentabilidade energética do planeta é uma preocupação corrente e, neste sentido, a eficiência energética afigura-se como sendo essencial para a redução do consumo em todos os setores de atividade. No que diz respeito ao setor residencial, o indevido comportamento dos utilizadores aliado ao desconhecimento do consumo dos diversos aparelhos, são factores impeditivos para a redução do consumo energético. Uma ferramenta importante, neste sentido, é a monitorização de consumos nomeadamente a monitorização não intrusiva, que apresenta vantagens económicas relativamente à monitorização intrusiva, embora levante alguns desafios na desagregação de cargas. Abordou-se então, neste documento, a temática da monitorização não intrusiva onde se desenvolveu uma ferramenta de desagregação de cargas residenciais, sobretudo de aparelhos que apresentavam elevados consumos. Para isso, monitorizaram-se os consumos agregados de energia elétrica, água e gás de seis habitações do município de Vila Nova de Gaia. Através da incorporação dos vetores de água e gás, a acrescentar ao da energia elétrica, provou-se que a performance do algoritmo de desagregação de aparelhos poderá aumentar, no caso de aparelhos que utilizem simultaneamente energia elétrica e água ou energia elétrica e gás. A eficiência energética é também parte constituinte deste trabalho e, para tal, implementaram-se medidas de eficiência energética para uma das habitações em estudo, de forma a concluir as que exibiam maior potencial de poupança, assim como rápidos períodos de retorno de investimento. De um modo geral, os objetivos propostos foram alcançados e espera-se que num futuro próximo, a monitorização de consumos não intrusiva se apresente como uma solução de referência no que respeita à sustentabilidade energética do setor residencial.

Gestão de operações de um armazém

i Gestão de Operações de um armazém Patrícia Raquel Freitas Gomes Relatório de estágio apresentado ao Instituto Superior de Contabilidade e Administração do Porto para obtenção de Grau de Mestre em Logística Orientado por: Prof. Doutora Maria Teresa Ribeiro Pereira Coorientado por: Eng.º César Emanuel Marinho Carvalho Teixeira

Estudo comparativo entre o sistema convencional de arrefecimento e o arrefecedor evaporativo para os edifícios industriais portugueses

Em Portugal existem muitos espaços comerciais e industriais em que as necessidades térmicas de arrefecimento são muito superiores às necessidades de aquecimento devido aos ganhos internos que advêm da existência de equipamentos e da iluminação dos edifícios, assim como, da presença das pessoas. A instalação de sistemas convencionais de ar condicionado para espaços comerciais e industriais de grande dimensão está geralmente associada ao transporte de grandes caudais de ar, e consequentemente, a elevados consumos de energia primária, e também, elevados custos de investimento, de manutenção e de operação. O arrefecedor evaporativo é uma solução de climatização com elevada eficiência energética, cujo princípio de funcionamento promove a redução do consumo de energia primária nos edifícios. A metodologia utilizada baseou-se na criação de uma ferramenta informática de simulação do funcionamento de um protótipo de um arrefecedor evaporativo. Foi efetuada a modelação matemática das variáveis dinâmicas envolvidas, dos processos de transferência de calor e de massa, assim como dos balanços de energia que ocorrem no arrefecedor evaporativo. A ferramenta informática desenvolvida permite o dimensionamento do protótipo do arrefecedor evaporativo, sendo determinadas as caraterísticas técnicas (potência térmica, caudal, eficiência energética, consumo energético e consumo e água) de acordo com o tipo de edifício e com as condições climatéricas do ar exterior. Foram selecionados três dimensionamentos de arrefecedores evaporativos, representativos de condições reais de uma gama baixa, média e elevada de caudais de ar. Os resultados obtidos nas simulações mostram que a potência de arrefecimento (5,6 kW, 16,0 kW e 32,8 kW) e o consumo de água (8 l/h, 23,9 l/h e 48,96 l/h) aumentam com o caudal de ar do arrefecedor, 5.000 m3/h, 15.000 m3/h e 30.000 m3/h, respetivamente. A eficácia de permuta destes arrefecedores evaporativos, foi de 69%, 66% e 67%, respetivamente. Verificou-se que a alteração de zona climática de V1 para V2 implicou um aumento de 39% na potência de arrefecimento e de 20% no consumo de água, e que, a alteração de zona climática de V2 para V3 implicou um aumento de 39% na potência de arrefecimento e de 39% no consumo de água. O arrefecedor evaporativo apresenta valores de consumo de energia elétrica entre 40% a 80% inferiores aos dos sistemas de arrefecimento convencionais, sendo este efeito mais intenso quando a zona climática de verão se torna mais severa.

Reabilitação energética de edifícios

A reabilitação é uma intervenção que confere ao edifício uma qualidade superior à que possuía aquando da sua construção. Desta forma, e com a entrada em vigor em final de 2013 da nova legislação referente à certificação energética dos edifícios, surge novamente o interesse na temática de reabilitar energeticamente o parque habitacional. Esta nova legislação aparece na sequencia das novas exigências da Comissão Europeia e do Parlamento Europeu face às alterações climáticas e consequentemente, em relação à eficiência energética. A reabilitação energética de edifícios, visa principalmente a melhoria das condições de conforto térmico, a redução dos consumos energéticos com aquecimento, arrefecimento e as águas quentes sanitárias. Tais melhorias são alcançáveis com intervenções que se foquem na envolvente dos edifícios, com a aplicação de sistemas de alta eficiência para o aquecimento, arrefecimento, iluminação e águas quentes sanitárias e com a integração de fontes de energias renováveis. Assim é possível alcançar edifícios com necessidades nulas ou quase nulas de energia, tal como exigem as metas impostas a nível europeu.

Impacto da Microprodução na Forma de Onda de Tensão na Rede de Distribuição de Energia

Actualmente tem sido dada uma importância à energia de origem renovável. No entanto, o conceito de fonte de energia renovável não significa necessariamente que essas fontes sejam renováveis, para o que seria necessário considerar os impactos que a sua produção e utilização tem ao nível dos três pilares fundamentais da sustentabilidade: o social, o ambiental e o económico. Num mundo cada vez mais insustentável, a busca por melhorias ao nível da eficiência energética constitui uma prioridade. A dissertação que aqui se apresenta visa essencialmente analisar o problema que representa a produção distribuída de energia para a amplitude e forma de onda de tensão na rede de distribuição. Sendo do conhecimento dos especialistas que as cavas de tensão constituem um problema significativo, a questão das harmónicas ainda é uma área em desenvolvimento. No caso de estudo que é apresentado no âmbito desta dissertação, pretendeu-se analisar esta problemática ao nível da amplitude e forma da onda de tensão na rede de distribuição. Foi possível tirar algumas ilações relativas ao impacto que a microprodução a partir de fonte FV tem, através da utilização do equipamento de medição adequado. Conclui-se que existe, efetivamente, uma distorção da forma de onda, distorção essa que constitui não só uma desvantagem para os consumidores de energia, visto poder causar efeitos colaterais nos seus equipamentos, mas também um problema de eficiência energética, obrigando a que no futuro, e assumindo que estes sistemas vão proliferar em larga escala a nível global, exista uma exigência em termos de requisitos técnicos como o aumento da secção do cabo elétrico e a respectiva ramificação da rede para a distribuição de energia que por si só, é insustentável.

Estudo, Avaliação e Propostas de melhoria para a Climatização do edifício Biorama do Parque Biológico de Vila Nova de Gaia

A eficiência energética e a preocupação com a sustentabilidade têm vindo a ganhar preponderância na sociedade moderna. Este trabalho é uma contribuição para esta tendência onde se pretendeu avaliar e sugerir alterações ao sistema de climatização do edifício Biorama do Parque Biológico de Vila Nova de Gaia (PBG). Procedeu-se em primeiro lugar a uma caracterização física, química e geográfica dos 5 biomas constituintes do Biorama. Para isso, recorreu-se a documentos fornecidos pelo próprio PBG, visitas ao local e registo de medições de alguns parâmetros (temperatura, humidade relativa, qualidade do ar). Posteriormente foi realizado o balanço térmico dos edifícios, de acordo com a legislação em vigor, recorrendo a expressões e conceitos teóricos. Foram determinados valores dos ganhos térmicos de aquecimento de 15811, 10694, 7939, 9233, e 6621 kWh/ano para Floresta tropical, Mesozoico, Dunas, Savana e Deserto, respetivamente. Foram igualmente determinados valores dos ganhos térmicos no verão de 7093, 4798, 3560, 4144 e 2971 kWh na Floresta tropical, no Mesozoico, nas Dunas, na Savana e no Deserto, respetivamente. As cargas térmicas de aquecimento foram 149, 125, 47, 60 e 51 kW na Floresta tropical, no Mesozoico, nas Dunas, na Savana e no Deserto, respetivamente. As cargas térmicas de arrefecimento foram iguais a 59, 57, 47, 35 e 36 kW na Floresta tropical, no Mesozoico, nas Dunas, na Savana e no Deserto, respetivamente. Algumas soluções são avançadas, bem como alternativas comportamentais de modo a corrigir alguns problemas identificados. Uma proposta é a da instalação de painéis solares e acumuladores de calor, com os quais se estima um ganho médio conjunto de 500 W em cada bioma, e representam um investimento de 1050 euros e terão um retorno de 1 ano. Em relação à humidade é sugerido a utilização mais eficaz dos aspersores existentes e a utilização de esponjas, para fazer subir a humidade relativa para valores superiores a 80%. Em sentido inverso, no inverno, propõem-se a utilização de material higroscópico para fazer baixar a humidade relativa em cerca de 5%. Os custos com os suportes e o material higroscópico rondam os 250 €. Por fim, é sugerido a instalação de um aparelho de ar condicionado de 16 000 BTU no corredor de ligação, pois é a única forma de garantir condições de conforto térmico. Esta proposta de arrefecimento com ar condicionado e ainda o recurso a uma cortina de lâminas de plástico, que servem para efetuar uma separação mais eficiente entre ar frio e ar quente, têm um custo aproximado de 350 €. É ainda sugerida a utilização de lonas ou de uma planta trepadeira com um custo por planta de 5€, nas coberturas dos telhados virados a sul, sendo que a zona do corredor deverá ser totalmente coberta, a fim de evitar a exposição solar direta.