Desenvolvimento de um pedómetro para telemóvel

Esta tese descreve o desenvolvimento do hardware e do software de um sistema com a capacidade de reconhecer o número de passos que uma pessoa efectua durante uma actividade física. O sistema consiste num acelerómetro controlado por um microcontrolador, que comunica com um dispositivo móvel através de Bluetooth. De modo a realizar o sistema foi necessário analisar uma vasta bibliografia, para conhecer o estado da arte desta tecnologia, entender o princípio de funcionamento do protocolo Bluetooth e os conceitos biomecânicos por detrás da marcha humana. A proposta deste trabalho apresentava como elemento diferenciador do estado da arte o uso de um acelerómetro em conjunto com sensores de pressão. Com a conjugação destes sensores pretendia-se aumentar a precisão de um equipamento que normalmente não é reconhecido por essa característica. Contudo, a indisponibilidade dos sensores de pressão levou a que o sistema só fosse constituído pelo acelerómetro. Embora, o sistema foi projectado considerando que os sensores de pressão serão incluídos num futuro desenvolvimento. Neste trabalho foram desenvolvidos dois algoritmos para detectar os passos que uma pessoa executa, com pé onde é colocado o sensor, quando caminha ou corre. Num dos testes realizados o algoritmo da “aceleração composta” detectou 84% dos passos, enquanto o algoritmo da “aceleração simples”detectou 99%. A plataforma para a interface gráfica pretendia-se que fosse um telemóvel, contudo não foi possível obter um telemóvel que suporta-se o perfil SPP (Serial Port Profile), necessário para a comunicação com o módulo Bluetooth usado. A solução passou por usar como plataforma um computador portátil com Bluetooth, para o qual foi desenvolvido a aplicação “Pedómetro ISEP” em Visual Basic. O “Pedómetro ISEP” apresenta várias funcionalidades, entre elas destaca-se o cálculo da distância percorrida, da velocidade, e das calorias consumidas, bem como, o registo desses valores em tabelas e da possibilidade de desenhar os gráficos representativos do progresso do utilizador.

Urubu: energy scavenging in wireless sensor networks

For the past years wireless sensor networks (WSNs) have been coined as one of the most promising technologies for supporting a wide range of applications. However, outside the research community, few are the people who know what they are and what they can offer. Even fewer are the ones that have seen these networks used in real world applications. The main obstacle for the proliferation of these networks is energy, or the lack of it. Even though renewable energy sources are always present in the networks environment, designing devices that can efficiently scavenge that energy in order to sustain the operation of these networks is still an open challenge. Energy scavenging, along with energy efficiency and energy conservation, are the current available means to sustain the operation of these networks, and can all be framed within the broader concept of “Energetic Sustainability”. A comprehensive study of the several issues related to the energetic sustainability of WSNs is presented in this thesis, with a special focus in today’s applicable energy harvesting techniques and devices, and in the energy consumption of commercially available WSN hardware platforms. This work allows the understanding of the different energy concepts involving WSNs and the evaluation of the presented energy harvesting techniques for sustaining wireless sensor nodes. This survey is supported by a novel experimental analysis of the energy consumption of the most widespread commercially available WSN hardware platforms.

Auditoria energética e da QAI no âmbito do SCE de um edifício de serviços

Este trabalho foi realizado no âmbito da disciplina de Dissertação/Estágio do ramo de Optimização Energética na Indústria Química, do Mestrado em Engenharia Química do Instituto Superior de Engenharia do Porto e foi desenvolvido na empresa GreenWatt. O principal objectivo é efectuar uma auditoria energética e uma auditoria QAI a uma clínica de fisiatria de forma a preparar as ferramentas necessárias para a Certificação Energética e da QAI no enquadramento do Sistema de Certificação Energética. Na auditoria QAI foram analisados parâmetros físicos - temperatura, humidade relativa e partículas respiráveis PM10, parâmetros químicos - CO2, CO, O3, COVs, HCOH e o radão, e ainda parâmetros microbiológicos - bactérias, fungos e legionella. Na auditoria energética foi feita a caracterização dos vectores de energia utilizados no edifício, nomeadamente, gás natural e electricidade. Para esta caracterização efectuou-se um levantamento de toda a informação disponível relativa aos combustíveis utilizados, iluminação instalada, outros equipamentos consumidores de energia e perfis de utilização. Com recurso a analisadores de energia foram ainda medidos os consumos eléctricos do edifício. Com suporte nos dados provenientes da auditoria energética e das facturas anuais efectuou-se a validação da simulação dinâmica do edifício. Esta simulação é a base do cálculo do IEEnominal do edifício. Os resultados da auditoria QAI, permitiram verificar que existem valores nãoregulamentares em relação aos compostos orgânicos voláteis, fungos e bactérias. Da auditoria energética concluiu-se que o principal consumo de energia é o gás natural utilizado pelas caldeiras existentes. Este valor representa cerca de 81% do consumo total de energia, reproduzindo os mesmos resultados obtidos pela desagregação das facturas energéticas. No que respeita à electricidade concluiu-se que as bombas de água e os equipamentos eléctricos são os maiores consumidores deste vector, com, respectivamente, 53% e 23% do consumo total de energia eléctrica. Após a realização da simulação dinâmica, com base nos levantamentos realizados no edifício e na auditoria energética efectuada, obteve-se uma fotografia do edifício no que respeita ao seu desempenho energético, e calculou-se um IEEnominal de 40,54 kgep/m2.ano o que qualifica o edifício com uma Classe Energética E. O valor de CO2 emitido por este edifício em termos nominais, anualmente, é de 76,39 toneladas.

Gestão de projectos no âmbito da construção sustentável

A indústria da construção, nomeadamente no sector da edificação, baseia-se essencialmente em métodos de construção tradicional. Esta indústria é caracterizada pelo consumo excessivo de matérias-primas, de recursos energéticos não renováveis e pela elevada produção de resíduos. Esta realidade é de todo incompatível com os desígnios do desenvolvimento sustentável, nos quais se procura a conveniência harmoniosa entre as dimensões ambiental, social e económica. O desafio da sustentabilidade, colocado à actividade da construção, tem motivado abordagens distintas, não só por parte das várias especialidades da engenharia, como também da arquitectura. É nesta perspectiva, que o presente modelo pretende ser um contributo para uma abordagem inovadora, introduzindo linhas de intervenção e de orientação, para apoiar e estimular o desenvolvimento de soluções sustentáveis em edifícios habitacionais, em qualquer fase do ciclo de evolução de um projecto e das várias especialidades do mesmo. Assim, no sentido de optimizar os recursos envolvidos no projecto são expostas estratégias de intervenção, com os seguintes objectivos: optimização do potencial do local, preservação da identidade regional e cultural, minimização do consumo de energia, utilização de materiais e produtos de baixo impacto ambiental, redução do consumo de água, redução da produção de emissões, resíduos e outros poluentes, adequada qualidade do ambiente interior e optimização das fases de operação e manutenção. A ferramenta apresentada surge como um instrumento facilitador para a equipa de projectistas, e que se esta adaptada para o desenvolvimento de projectos de edifícios de habitação, dada a génese dos métodos utilizados. As soluções de sustentabilidade apresentadas neste manual emanam dos sistemas de certificação LíderA, LEED, BREEAM e SBToolpt. O modelo encontra-se estruturado, no que às fases de projecto diz respeito, de acordo com os requisitos expressos na Portaria 701-H/2008 de 29 de Julho, tendo sido igualmente seguido o descrito para os respectivos intervenientes.

Optimização energética de um sistema de climatização industrial

O desenvolvimento deste trabalho teve como objectivo a optimização de um sistema de climatização industrial, constituído por quatro centrais de climatização adiabáticas, que apresentam limitações de capacidade de arrefecimento, controlo e eficiência. Inicialmente foi necessária a pesquisa bibliográfica e recolha de informação relativa à indústria têxtil e ao processo de arrefecimento evaporativo. Numa fase posterior foram recolhidos e analisados os diversos dados essenciais à compreensão do binómio edifício/sistema de climatização, para a obtenção de possíveis hipóteses de optimização. Da fase de recolha de informações e dados, destaca-se, também, a realização de análises à qualidade do ar interior (QAI). As optimizações seleccionadas como passíveis de implementação, foram estudadas e analisadas com o auxílio do software de simulação energética dinâmica DesignBuilder e os resultados obtidos foram devidamente trabalhados e ajustados de modo a permitir uma assimilação amigável e de fácil interpretação das suas vantagens e desvantagens, tendo ainda sido objecto de estudo de viabilidade económica. A optimização proposta reflecte uma melhoria substancial das condições interiores ao nível da temperatura e humidade relativa, resultando, ainda assim, numa redução de consumos energéticos na ordem dos 23 % (490.337 kWh), isto é, uma poupança anual de 42.169 € aos custos de exploração e com um período de retorno de 1 ano e 11 meses.

Exploração da Point Cloud Library aplicada à percepção em sistemas autónomos

A navegação e a interpretação do meio envolvente por veículos autónomos em ambientes não estruturados continua a ser um grande desafio na actualidade. Sebastian Thrun, descreve em [Thr02], que o problema do mapeamento em sistemas robóticos é o da aquisição de um modelo espacial do meio envolvente do robô. Neste contexto, a integração de sistemas sensoriais em plataformas robóticas, que permitam a construção de mapas do mundo que as rodeia é de extrema importância. A informação recolhida desses dados pode ser interpretada, tendo aplicabilidade em tarefas de localização, navegação e manipulação de objectos. Até à bem pouco tempo, a generalidade dos sistemas robóticos que realizavam tarefas de mapeamento ou Simultaneous Localization And Mapping (SLAM), utilizavam dispositivos do tipo laser rangefinders e câmaras stereo. Estes equipamentos, para além de serem dispendiosos, fornecem apenas informação bidimensional, recolhidas através de cortes transversais 2D, no caso dos rangefinders. O paradigma deste tipo de tecnologia mudou consideravelmente, com o lançamento no mercado de câmaras RGB-D, como a desenvolvida pela PrimeSense TM e o subsequente lançamento da Kinect, pela Microsoft R para a Xbox 360 no final de 2010. A qualidade do sensor de profundidade, dada a natureza de baixo custo e a sua capacidade de aquisição de dados em tempo real, é incontornável, fazendo com que o sensor se tornasse instantaneamente popular entre pesquisadores e entusiastas. Este avanço tecnológico deu origem a várias ferramentas de desenvolvimento e interacção humana com este tipo de sensor, como por exemplo a Point Cloud Library [RC11] (PCL). Esta ferramenta tem como objectivo fornecer suporte para todos os blocos de construção comuns que uma aplicação 3D necessita, dando especial ênfase ao processamento de nuvens de pontos de n dimensões adquiridas a partir de câmaras RGB-D, bem como scanners laser, câmaras Time-of-Flight ou câmaras stereo. Neste contexto, é realizada nesta dissertação, a avaliação e comparação de alguns dos módulos e métodos constituintes da biblioteca PCL, para a resolução de problemas inerentes à construção e interpretação de mapas, em ambientes indoor não estruturados, utilizando os dados provenientes da Kinect. A partir desta avaliação, é proposta uma arquitectura de sistema que sistematiza o registo de nuvens de pontos, correspondentes a vistas parciais do mundo, num modelo global consistente. Os resultados da avaliação realizada à biblioteca PCL atestam a sua viabilidade, para a resolução dos problemas propostos. Prova da sua viabilidade, são os resultados práticos obtidos, da implementação da arquitectura de sistema proposta, que apresenta resultados de desempenho interessantes, como também boas perspectivas de integração deste tipo de conceitos e tecnologia em plataformas robóticas desenvolvidas no âmbito de projectos do Laboratório de Sistemas Autónomos (LSA).

Lower protocol layers for wireless sensor networks: a survey

Wireless Sensor Networks (WSNs) have been attracting increasing interests in the development of 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 Wireless Sensor Networks differ from the ones attributed to traditional wireless networks, triggering the need for new communication protocols and mechanisms. In this Technical Report, we present a survey on communication protocols for WSNs with a particular emphasis on the lower protocol layers. We give a particular focus to the MAC (Medium Access Control) sub-layer, since it has a prominent influence on some relevant requirements that must be satisfied by WSN protocols, such as energy consumption, time performance and scalability. We overview some relevant MAC protocol solutions and discuss how they tackle the trade-off between the referred requirements.

Qualidade do ar interior em Escolas Básicas de 1.º ciclo: QAI em ambientes escolares: estudo orientado para as Escolas Básicas de 1.º ciclo de um agrupamento escolar

A Qualidade do Ar Interior (QAI) é um fator de grande preocupação. A importância de manter um ambiente salubre é mais acentuada em estabelecimentos escolares (EE), tendo em conta, que no interior destes permanecem crianças durante um elevado período de tempo. É fundamental garantir uma boa QAI nos edifícios escolares, de forma a salvaguardar a saúde, o bem-estar e o conforto dos ocupantes, bem como, não comprometer o seu desempenho escolar. Recentemente, foram construídos novos edifícios escolares e alguns dos existentes foram alvo de obras de remodelação. Contudo, a crescente tendência em construir edifícios cada vez mais herméticos, com vista à diminuição dos gastos de energia, origina problemas como a reduzida ventilação dos espaços. Vários estudos têm demonstrado a influência das atividades de limpeza na QAI. No entanto, verifica-se que na maioria das escolas não existem ainda procedimentos de limpeza padronizados. A falta de instruções de trabalho e a ausência de formação às assistentes operacionais pode comprometer a eficácia dos procedimentos de higienização, o que poderá ter influência na QAI dos espaços. Este estudo teve como principal objetivo avaliar a QAI em escolas básicas de 1.º ciclo. Foram contemplados no estudo fatores como a tipologia do edifício, a ocupação das salas e as atividades de limpeza. Procedeu-se à caracterização dos EE e à monitorização de parâmetros ambientais, como a temperatura do ar, a humidade relativa, a velocidade do ar, o dióxido de carbono, o monóxido de carbono, as partículas, os microrganismos mesófilos totais e os fungos. Estes parâmetros foram avaliados nas salas com ocupação, sem ocupação e durante a implementação de um plano de higienização. A ventilação inadequada parece ser o fator que mais condiciona a QAI das salas de aula avaliadas. Registaram-se elevadas concentrações de dióxido de carbono e de microrganismos mesófilos totais, que parecem estar relacionados com a permanência dos ocupantes nos locais e com a falta de ventilação adequada dos espaços. A concentração de dióxido de carbono foi mais elevada em edifícios recentes. Os picos elevados na concentração de partículas parecem estar associados com as atividades dos ocupantes. Obtiveram-se concentrações menores de fungos e de microrganismos mesófilos totais ao longo da implementação do plano de higienização, o que poderá significar que os procedimentos de limpeza contribuem para reduzir os níveis de contaminação dos espaços interiores. No entanto, tendo em conta, que a concentração de microrganismos mesófilos totais permaneceu elevada, as operações de limpeza parecem não ser suficientes para garantir uma boa QAI. O aumento da ventilação dos espaços poderia contribuir significativamente para a melhoria da QAI dos espaços avaliados.

Use of negative information in positioning and tracking algorithms

To avoid additional hardware deployment, indoor localization systems have to be designed in such a way that they rely on existing infrastructure only. Besides the processing of measurements between nodes, localization procedure can include the information of all available environment information. In order to enhance the performance of Wi-Fi based localization systems, the innovative solution presented in this paper considers also the negative information. An indoor tracking method inspired by Kalman filtering is also proposed.

LNT: a logical neighbor tree secure group communication scheme for wireless sensor networks

Secure group communication is a paradigm that primarily designates one-to-many communication security. The proposed works relevant to secure group communication have predominantly considered the whole network as being a single group managed by a central powerful node capable of supporting heavy communication, computation and storage cost. However, a typical Wireless Sensor Network (WSN) may contain several groups, and each one is maintained by a sensor node (the group controller) with constrained resources. Moreover, the previously proposed schemes require a multicast routing support to deliver the rekeying messages. Nevertheless, multicast routing can incur heavy storage and communication overheads in the case of a wireless sensor network. Due to these two major limitations, we have reckoned it necessary to propose a new secure group communication with a lightweight rekeying process. Our proposal overcomes the two limitations mentioned above, and can be applied to a homogeneous WSN with resource-constrained nodes with no need for a multicast routing support. Actually, the analysis and simulation results have clearly demonstrated that our scheme outperforms the previous well-known solutions.

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.

RadiaLE: A framework for designing and assessing link quality estimators in wireless sensor networks

Stringent cost and energy constraints impose the use of low-cost and low-power radio transceivers in large-scale wireless sensor networks (WSNs). This fact, together with the harsh characteristics of the physical environment, requires a rigorous WSN design. Mechanisms for WSN deployment and topology control, MAC and routing, resource and mobility management, greatly depend on reliable link quality estimators (LQEs). This paper describes the RadiaLE framework, which enables the experimental assessment, design and optimization of LQEs. RadiaLE comprises (i) the hardware components of the WSN testbed and (ii) a software tool for setting-up and controlling the experiments, automating link measurements gathering through packets-statistics collection, and analyzing the collected data, allowing for LQEs evaluation. We also propose a methodology that allows (i) to properly set different types of links and different types of traffic, (ii) to collect rich link measurements, and (iii) to validate LQEs using a holistic and unified approach. To demonstrate the validity and usefulness of RadiaLE, we present two case studies: the characterization of low-power links and a comparison between six representative LQEs. We also extend the second study for evaluating the accuracy of the TOSSIM 2 channel model.

Smart-HOP: a reliable handoff mechanism for mobile wireless sensor networks

Handoff processes, the events where mobile nodes select the best access point available to transfer data, have been well studied in cellular and WiFi networks. However, wireless sensor networks (WSN) pose a new set of challenges due to their simple low-power radio transceivers and constrained resources. This paper proposes smart-HOP, a handoff mechanism tailored for mobile WSN applications. This work provides two important contributions. First, it demonstrates the intrinsic relationship between handoffs and the transitional region. The evaluation shows that handoffs perform the best when operating in the transitional region, as opposed to operating in the more reliable connected region. Second, the results reveal that a proper fine tuning of the parameters, in the transitional region, can reduce handoff delays by two orders of magnitude, from seconds to tens of milliseconds.

Nano-CF: a Coordination Framework for macro-programming in wireless sensor networks

Wireless Sensor Networks (WSN) are being used for a number of applications involving infrastructure monitoring, building energy monitoring and industrial sensing. The difficulty of programming individual sensor nodes and the associated overhead have encouraged researchers to design macro-programming systems which can help program the network as a whole or as a combination of subnets. Most of the current macro-programming schemes do not support multiple users seamlessly deploying diverse applications on the same shared sensor network. As WSNs are becoming more common, it is important to provide such support, since it enables higher-level optimizations such as code reuse, energy savings, and traffic reduction. In this paper, we propose a macro-programming framework called Nano-CF, which, in addition to supporting in-network programming, allows multiple applications written by different programmers to be executed simultaneously on a sensor networking infrastructure. This framework enables the use of a common sensing infrastructure for a number of applications without the users having to worrying about the applications already deployed on the network. The framework also supports timing constraints and resource reservations using the Nano-RK operating system. Nano- CF is efficient at improving WSN performance by (a) combining multiple user programs, (b) aggregating packets for data delivery, and (c) satisfying timing and energy specifications using Rate- Harmonized Scheduling. Using representative applications, we demonstrate that Nano-CF achieves 90% reduction in Source Lines-of-Code (SLoC) and 50% energy savings from aggregated data delivery.

Quantifying the channel quality for interference-aware wireless sensor networks

Reliability of communications is key to expand application domains for sensor networks. SinceWireless Sensor Networks (WSN) operate in the license-free Industrial Scientific and Medical (ISM) bands and hence share the spectrum with other wireless technologies, addressing interference is an important challenge. In order to minimize its effect, nodes can dynamically adapt radio resources provided information about current spectrum usage is available. We present a new channel quality metric, based on availability of the channel over time, which meaningfully quantifies spectrum usage. We discuss the optimum scanning time for capturing the channel condition while maintaining energy-efficiency. Using data collected from a number of Wi-Fi networks operating in a library building, we show that our metric has strong correlation with the Packet Reception Rate (PRR). This suggests that quantifying interference in the channel can help in adapting resources for better reliability. We present a discussion of the usage of our metric for various resource allocation and adaptation strategies.