Aplicação de Internet of Things em casas inteligentes - Serviço Aplicacional

Engenharia Informática, Área de Especialização em Arquiteturas, Sistemas e Redes

Aplicação de Internet of Things em casas inteligentes: Serviços de Rede

O foco principal no estudo da Internet of Things tem sido a integração de dispositivos digitais com o mundo físico e vice-versa. Os dispositivos inteligentes têm vindo a ganhar uma forte presença na nossa vida diária e cada vez mais, tendem a integrar o sistema de uma casa, automatizando processos comuns como o controlo de temperatura ambiente ou mesmo a percentagem de luminosidade de uma divisão. A visão da IoT contempla um mundo interconectado, recolhendo informações de forma automática e possibilitando a comunicação entre dispositivos. Contudo, as tecnologias existentes para a criação de redes que albergam estes novos dispositivos carecem de padrões bem definidos, dificultando a interoperabilidade entre as diversas soluções existentes. Neste projeto são estudadas e aplicadas as tecnologias mais promissoras aplicáveis ao paradigma Internet of Things, com o objetivo de encontrar um conjunto de protocolos padrão para a implementação de sistemas de automação em casas inteligentes.1 Como objetivo final deste projeto, pretende-se criar uma rede de dispositivos com capacidades sensoriais que tenham a capacidade de comunicar com o mundo externo, permitindo o acesso à rede por qualquer tipo de utilizador. Com isso, espera-se caminhar para mais perto da padronização dos protocolos inerentes à IoT e habilitar interoperabilidade entre as mais diversas soluções. São apresentados e utilizados os protocolos que mais se adaptam ao tema escolhido, tentando simplificar a rede para que esta possa ser incluída em qualquer ambiente doméstico, recorrendo a hardware de custo reduzido. Os protocolos apresentados são o 6LoWPAN, utilizando o protocolo IEEE 802.15.4 como interface de rede juntamente com endereçamento IPv6. É também utilizado o protocolo CoAP na troca de mensagens entre os dispositivos.

mRPL: Boosting mobility in the Internet of Things

The 6loWPAN (the light version of IPv6) and RPL (routing protocol for low-power and lossy links) protocols have become de facto standards for the Internet of Things (IoT). In this paper, we show that the two native algorithms that handle changes in network topology – the Trickle and Neighbor Discovery algorithms – behave in a reactive fashion and thus are not prepared for the dynamics inherent to nodes mobility. Many emerging and upcoming IoT application scenarios are expected to impose real-time and reliable mobile data collection, which are not compatible with the long message latency, high packet loss and high overhead exhibited by the native RPL/6loWPAN protocols. To solve this problem, we integrate a proactive hand-off mechanism (dubbed smart-HOP) within RPL, which is very simple, effective and backward compatible with the standard protocol. We show that this add-on halves the packet loss and reduces the hand-off delay dramatically to one tenth of a second, upon nodes’ mobility, with a sub-percent overhead. The smart-HOP algorithm has been implemented and integrated in the Contiki 6LoWPAN/RPL stack (source-code available on-line mrpl: smart-hop within rpl, 2014) and validated through extensive simulation and experimentation.

CoS: a new perspective of operating systems design for the cyber-physical world

Our day-to-day life is dependent on several embedded devices, and in the near future, many more objects will have computation and communication capabilities enabling an Internet of Things. Correspondingly, with an increase in the interaction of these devices around us, developing novel applications is set to become challenging with current software infrastructures. In this paper, we argue that a new paradigm for operating systems needs to be conceptualized to provide aconducive base for application development on Cyber-physical systems. We demonstrate its need and importance using a few use-case scenarios and provide the design principles behind, and an architecture of a co-operating system or CoS that can serve as an example of this new paradigm.

Quality-of-service aware routing for static and mobile IPv6-based low-power and lossy sensor networks using RPL

The Internet of Things (IoT) has emerged as a paradigm over the last few years as a result of the tight integration of the computing and the physical world. The requirement of remote sensing makes low-power wireless sensor networks one of the key enabling technologies of IoT. These networks encompass several challenges, especially in communication and networking, due to their inherent constraints of low-power features, deployment in harsh and lossy environments, and limited computing and storage resources. The IPv6 Routing Protocol for Low Power and Lossy Networks (RPL) [1] was proposed by the IETF ROLL (Routing Over Low-power Lossy links) working group and is currently adopted as an IETF standard in the RFC 6550 since March 2012. Although RPL greatly satisfied the requirements of low-power and lossy sensor networks, several issues remain open for improvement and specification, in particular with respect to Quality of Service (QoS) guarantees and support for mobility. In this paper, we focus mainly on the RPL routing protocol. We propose some enhancements to the standard specification in order to provide QoS guarantees for static as well as mobile LLNs. For this purpose, we propose OF-FL (Objective Function based on Fuzzy Logic), a new objective function that overcomes the limitations of the standardized objective functions that were designed for RPL by considering important link and node metrics, namely end-to-end delay, number of hops, ETX (Expected transmission count) and LQL (Link Quality Level). In addition, we present the design of Co-RPL, an extension to RPL based on the corona mechanism that supports mobility in order to overcome the problem of slow reactivity to frequent topology changes and thus providing a better quality of service mainly in dynamic networks application. Performance evaluation results show that both OF-FL and Co-RPL allow a great improvement when compared to the standard specification, mainly in terms of packet loss ratio and average network latency. 2015 Elsevier B.V. Al

Implementation of an IoT-based Sensor Network Integrating IoT-based Sensor Networks with Large-Scale Message Distribution

As technology advances not only do new standards and programming styles appear but also some of the previously established ones gain relevance. In a new Internet paradigm where interconnection between small devices is key to the development of new businesses and scientific advancement there is the need to find simple solutions that anyone can implement in order to allow ideas to become more than that, ideas. Open-source software is still alive and well, especially in the area of the Internet of Things. This opens windows for many low capital entrepreneurs to experiment with their ideas and actually develop prototypes, which can help identify problems with a project or shine light on possible new features and interactions. As programming becomes more and more popular between people of fields not related to software there is the need for guidance in developing something other than basic algorithms, which is where this thesis comes in: A comprehensive document explaining the challenges and available choices of developing a sensor data and message delivery system, which scales well and implements the delivery of critical messages. Modularity and extensibility were also given much importance, making this an affordable tool for anyone that wants to build a sensor network of the kind.

Sistema para a monitorização ativa com recurso ao cloud computing

O desenvolvimento de aplicações para dispositivos móveis já não é uma área recente, contudo continua a crescer a um ritmo veloz. É notório o avanço tecnológico dos últimos anos e a crescente popularidade destes dispositivos. Este avanço deve-se não só à grande evolução no que diz respeito às características destes dispositivos, mas também à possibilidade de criar aplicações inovadoras, práticas e passíveis de solucionar os problemas dos utilizadores em geral. Nesse sentido, as necessidades do quotidiano obrigam à implementação de soluções que satisfaçam os utilizadores, e nos dias de hoje, essa satisfação muitas vezes passa pelos dispositivos móveis, que já tem um papel fundamental na vida das pessoas. Atendendo ao aumento do número de raptos de crianças e à insegurança que se verifica nos dias de hoje, as quais dificultam a tarefa de todos os pais/cuidadores que procuraram manter as suas crianças a salvo, é relevante criar uma nova ferramenta capaz de os auxiliar nesta árdua tarefa. A partir desta realidade, e com vista a cumprir os aspetos acima mencionados, surge assim esta dissertação de mestrado. Esta aborda o estudo e implementação efetuados no sentido de desenvolver um sistema de monitorização de crianças. Assim, o objetivo deste projeto passa por desenvolver uma aplicação nativa para Android e um back-end, utilizando um servidor de base de dados NoSQL para o armazenamento da informação, aplicando os conceitos estudados e as tecnologias existentes. A solução tem como principais premissas: ser o mais user-friendly possível, a otimização, a escalabilidade para outras situações (outros tipos de monitorizações) e a aplicação das mais recentes tecnologias. Assim sendo, um dos estudos mais aprofundados nesta dissertação de mestrado está relacionado com as bases de dados NoSQL, dada a sua importância no projeto.

A Visual Programming Framework for Wireless Sensor Networks in Smart Home Applications

International Conference on Intelligent Sensors, Sensor Networks and Information Processing (ISSNIP 2015). 7 to 9, Apr, 2015. Singapure, Singapore.

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.

Feature Extraction in Densely Sensed Environments: Extensions to Multiple Broadcast Domains

The vision of the Internet of Things (IoT) includes large and dense deployment of interconnected smart sensing and monitoring devices. This vast deployment necessitates collection and processing of large volume of measurement data. However, collecting all the measured data from individual devices on such a scale may be impractical and time consuming. Moreover, processing these measurements requires complex algorithms to extract useful information. Thus, it becomes imperative to devise distributed information processing mechanisms that identify application-specific features in a timely manner and with a low overhead. In this article, we present a feature extraction mechanism for dense networks that takes advantage of dominance-based medium access control (MAC) protocols to (i) efficiently obtain global extrema of the sensed quantities, (ii) extract local extrema, and (iii) detect the boundaries of events, by using simple transforms that nodes employ on their local data. We extend our results for a large dense network with multiple broadcast domains (MBD). We discuss and compare two approaches for addressing the challenges with MBD and we show through extensive evaluations that our proposed distributed MBD approach is fast and efficient at retrieving the most valuable measurements, independent of the number sensor nodes in the network.

Laboratório de criação digital

O projeto aqui apresentado consiste no desenvolvimento de um plano estratégico de marketing digital para o projeto Laboratório de Criação Digital (LCDPorto). O LCDPorto tem sete anos de existência, sem nunca ter definido uma estratégia de comunicação. O principal objetivo passa por aprofundar os vários temas que integram Marketing Digital, e desenvolver um plano que permita ao LCDPorto ganhar mais notoriedade pelas atividades que desenvolve e, também, obter mais público para participar nas atividades. Áreas como email marketing, contente marketing, SEO, social media e outras, não são áreas que funcionam de forma independente, mas sim, parte de um plano estratégico. Neste relatório serão apresentados alguns dos passos deste plano, nomeadamente Análise de Concorrência Online, estratégia de SEO, com o objetivo de obter dados prévios essenciais ao desenvolvimento desta estratégia de Marketing Digital.

Amostragem Adaptativa em Redes de Sensores

Uma nova área tecnológica está em crescente desenvolvimento. Esta área, denominada de internet das coisas, surge na necessidade de interligar vários objetos para uma melhoria a nível de serviços ou necessidades por parte dos utilizadores. Esta dissertação concentra-se numa área específica da tecnologia internet das coisas que é a sensorização. Esta rede de sensorização é implementada pelo projeto europeu denominado de Future Cities [1] onde se cria uma infraestrutura de investigação e validação de projetos e serviços inteligentes na cidade do Porto. O trabalho realizado nesta dissertação insere-se numa das plataformas existentes nessa rede de sensorização: a plataforma de sensores ambientais intitulada de UrbanSense. Estes sensores ambientais que estão incorporados em Data Collect Unit (DCU), também denominados por nós, medem variáveis ambientais tais como a temperatura, humidade, ozono e monóxido de carbono. No entanto, os nós têm recursos limitados em termos de energia, processamento e memória. Apesar das grandes evoluções a nível de armazenamento e de processamento, a nível energético, nomeadamente nas baterias, não existe ainda uma evolução tão notável, limitando a sua operacionalidade [2]. Esta tese foca-se, essencialmente, na melhoria do desempenho energético da rede de sensores UrbanSense. A principal contribuição é uma adaptação do protocolo de redes Ad Hoc OLSR (Optimized Link State Routing Protocol) para ser usado por nós alimentados a energia renovável, de forma a aumentar a vida útil dos nós da rede de sensorização. Com esta contribuição é possível obter um maior número de dados durante períodos de tempo mais longos, aproximadamente 10 horas relativamente às 7 horas anteriores, resultando numa maior recolha e envio dos mesmos com uma taxa superior, cerca de 500 KB/s. Existindo deste modo uma aproximação analítica dos vários parâmetros existentes na rede de sensorização. Contudo, o aumento do tempo de vida útil dos nós sensores com recurso à energia renovável, nomeadamente, energia solar, incrementa o seu peso e tamanho que limita a sua mobilidade. Com o referido acréscimo a determinar e a limitar a sua mobilidade exigindo, por isso, um planeamento prévio da sua localização. Numa primeira fase do trabalho analisou-se o consumo da DCU, visto serem estes a base na infraestrutura e comunicando entre si por WiFi ou 3G. Após uma análise dos protocolos de routing com iv suporte para parametrização energética, a escolha recaiu sobre o protocolo OLSR devido à maturidade e compatibilidade com o sistema atual da DCU, pois apesar de existirem outros protocolos, a implementação dos mesmos, não se encontram disponível como software aberto. Para a validação do trabalho realizado na presente dissertação, é realizado um ensaio prévio sem a energia renovável, para permitir caracterização de limitações do sistema. Com este ensaio, tornou-se possível verificar a compatibilidade entre os vários materiais e ajustamento de estratégias. Num segundo teste de validação é concretizado um ensaio real do sistema com 4 nós a comunicar, usando o protocolo com eficiência energética. O protocolo é avaliado em termos de aumento do tempo de vida útil do nó e da taxa de transferência. O desenvolvimento da análise e da adaptação do protocolo de rede Ad Hoc oferece uma maior longevidade em termos de tempo de vida útil, comparando ao que existe durante o processamento de envio de dados. Apesar do tempo de longevidade ser inferior, quando o parâmetro energético se encontra por omissão com o fator 3, a realização da adaptação do sistema conforme a energia, oferece uma taxa de transferência maior num período mais longo. Este é um fator favorável para a abertura de novos serviços de envio de dados em tempo real ou envio de ficheiros com um tamanho mais elevado.

Hypermedia-based Web Services as System Integrators

As we move more closely to the practical concept of the Internet of Things and, our reliance on public and private APIs increases, web services and their related topics have become utterly crucial to the informatics community. However, the question about which style of web services would best solve a particular problem, can raise signi cant and multifarious debates. There can be found two implementation styles that highlight themselves: the RPC-oriented style represented by the SOAP protocol’s implementations and the hypermedia style, which is represented by the REST architectural style’s implementations. As we search examples of already established web services, we can nd a handful of robust and reliable public and private SOAP APIs, nevertheless, it seems that RESTful services are gaining popularity in the enterprise community. For the current generation of developers that work on informatics solutions, REST seems to represent a fundamental and straightforward alternative and even, a more deep-rooted approach than SOAP. But are they comparable? Do both approaches have each speci c best suitable scenarios? Such study is brie y carried out in the present document’s chapters, starting with the respective background study, following an analysis of the hypermedia approach and an instantiation of its architecture, in a particular case study applied in a BPM context.

Deteção e acompanhamento de movimento através de uma câmara de vídeo

A deteção e seguimento de pessoas tem uma grande variedade de aplicações em visão computacional. Embora tenha sido alvo de anos de investigação, continua a ser um tópico em aberto, e ainda hoje, um grande desafio a obtenção de uma abordagem que inclua simultaneamente exibilidade e precisão. O trabalho apresentado nesta dissertação desenvolve um caso de estudo sobre deteção e seguimento automático de faces humanas, em ambiente de sala de reuniões, concretizado num sistema flexível de baixo custo. O sistema proposto é baseado no sistema operativo GNU's Not Unix (GNU) linux, e é dividido em quatro etapas, a aquisição de vídeo, a deteção da face, o tracking e reorientação da posição da câmara. A aquisição consiste na captura de frames de vídeo das três câmaras Internet Protocol (IP) Sony SNC-RZ25P, instaladas na sala, através de uma rede Local Area Network (LAN) também ele já existente. Esta etapa fornece os frames de vídeo para processamento à detecção e tracking. A deteção usa o algoritmo proposto por Viola e Jones, para a identificação de objetos, baseando-se nas suas principais características, que permite efetuar a deteção de qualquer tipo de objeto (neste caso faces humanas) de uma forma genérica e em tempo real. As saídas da deteção, quando é identificado com sucesso uma face, são as coordenadas do posicionamento da face, no frame de vídeo. As coordenadas da face detetada são usadas pelo algoritmo de tracking, para a partir desse ponto seguir a face pelos frames de vídeo subsequentes. A etapa de tracking implementa o algoritmo Continuously Adaptive Mean-SHIFT (Camshift) que baseia o seu funcionamento na pesquisa num mapa de densidade de probabilidade, do seu valor máximo, através de iterações sucessivas. O retorno do algoritmo são as coordenadas da posição e orientação da face. Estas coordenadas permitem orientar o posicionamento da câmara de forma que a face esteja sempre o mais próximo possível do centro do campo de visão da câmara. Os resultados obtidos mostraram que o sistema de tracking proposto é capaz de reconhecer e seguir faces em movimento em sequências de frames de vídeo, mostrando adequabilidade para aplicação de monotorização em tempo real.

Proposta de solução de videovigilância para locais remotos

Desde tempos remotos que homens faziam a vigilância de bens e mercadorias e mais recentemente também de pessoas com o intuito de dissuadir roubos, atos de vandalismo e de violência. Nos últimos anos, com a evolução das novas tecnologias verificou-se a sua adoção para auxílio da vigilância. Os atos de terrorismo que têm acontecido um pouco por todo o mundo trouxeram um clima de insegurança à população mundial. Este fenómeno, juntamente com o elevado número de roubos e atos de violência levou à expansão de utilização dos meios de videovigilância de forma a dissuadir estes tipos de crime podendo mesmo, nalguns casos servir como prova para punir os autores dos mesmos. Em Portugal tem-se verificado uma escalada de crimes nas zonas mais rurais não só de bens como as alfaias agrícolas mas também de frutos e mesmo de animais. Estes crimes predominam em locais rurais, relativamente distantes das povoações e em locais onde não existem (ou são praticamente inexistentes) infraestruturas necessárias para implementar meios de videovigilância como a falta de rede elétrica e internet o que torna quase inviável a existência de sistemas de videovigilância nesses locais. Dotar esses locais das infra estruturas necessárias poderia tornar-se demasiado dispendioso e os vigilantes humanos poderiam correr riscos no meio dos montes ou noutros locais remotos para além dos seus elevados custos. Para além do problema dos roubos, existe um outro flagelo relacionado com os incêndios na floresta portuguesa, que todos os anos é dizimada pelo fogo devido a incêndios que surgem na sua maioria causados pelo homem sendo uma parte significativa os de origem criminosa. Para dar resposta a estes problemas e no sentido de vigiar e dissuadir estes tipos de crimes, iniciamos um estudo que pretende propor um protótipo de um sistema de videovigilância para locais remotos (SVR - Sistema de Videovigilância Remota) de baixo custo de forma a diminuir o número de crimes e assim minimizar os prejuízos económico e sociais causados pelos mesmos. Pretendemos estudar o problema e analisar tecnologias com potencial para propor uma solução que possa auxiliar a vigilância nesse tipo de locais com o pressuposto de poder vir a contribuir para a diminuição deste tipo de crimes devido ao seu efeito dissuasor pelo facto de se poder divulgar que estes locais já têm uma solução de vigilância oculta. A solução proposta contempla um sistema de videovigilância com uma camara construída com base num Raspberry Pi onde o vídeo é transmitido em streaming via Web através de comunicações móveis. A alimentação do sistema nestes espaços sem energia elétrica é feita através de um painel fotovoltaico. É proporcionado ao utilizador uma interface para visualizar o vídeo transmitido e um mecanismo de notificações por email. É ainda possível a visualização de imagens gravadas num cartão de memória relativas a ocorrências de deteção de movimentos. Foram realizados inúmeros testes ao protótipo SVR sendo os resultados obtidos aqui descritos.