Highly scalable aggregate computations in cyber-physical systems: physical environment meets communication protocols

In this paper, we focus on large-scale and dense Cyber- Physical Systems, and discuss methods that tightly integrate communication and computing with the underlying physical environment. We present Physical Dynamic Priority Dominance ((PD)2) protocol that exemplifies a key mechanism to devise low time-complexity communication protocols for large-scale networked sensor systems. We show that using this mechanism, one can compute aggregate quantities such as the maximum or minimum of sensor readings in a time-complexity that is equivalent to essentially one message exchange. We also illustrate the use of this mechanism in a more complex task of computing the interpolation of smooth as well as non-smooth sensor data in very low timecomplexity.

Potencialidades de uma abordagem com Interdisciplinaridade entre matemática e estudo do meio e centrada no ambiente

O presente estudo partiu do problema “Como promover aprendizagens da Matemática e do Estudo do Meio numa perspetiva interdisciplinar, explorando o mundo real?”. Neste sentido, tem como objetivos: selecionar recursos e atividades que se revelem motivadoras para os alunos; demonstrar a relevância da inter-relação de diferentes conceitos e a importância da sua ligação com as vivências dos alunos; ativar o envolvimento dos alunos para a aprendizagem da Matemática através do Estudo do meio e de situações do mundo real; estimular a perceção do aluno da presença da Matemática nos conteúdos de Estudo do Meio; fomentar a compreensão da relação dos conteúdos de Matemática e estudo do Meio. Com este propósito formularam-se as seguintes questões: (1) Que tipo de atividades se poderão proporcionar de forma a motivar os alunos para os conteúdos do Estudo do Meio e da Matemática? (2) De que forma a exploração das situações/conceções do quotidiano poderá promover o envolvimento dos alunos na aprendizagem da Matemática e do Estudo do Meio? (3) De que forma o Ensino Experimental das Ciências numa perspetiva interdisciplinar pode contribuir para desenvolver tanto as competências conceptuais (fatores do ambiente: temperatura e humidade/OTD/números racionais), como capacidades de pensamento crítico e tomada de decisão inerente? Tendo em vista os objetivos do estudo, desenvolveram-se, com uma turma do 2º ano de escolaridade, quatro situações formativas, que envolveram as disciplinas de Matemática e Estudo do Meio. O domínio de conteúdos preponderante na área de Estudo do Meio foi À descoberta do Ambiente Natural, enquanto na Matemática os domínios predominantes foram Organização e tratamento de dados e Números e operações. Foram realizadas diversas atividades experimentais, onde os alunos tiveram um papel ativo na construção dos seus conhecimentos. A investigação segue uma metodologia qualitativa, centrando-se num estudo de caso, onde se caracteriza uma experiência interdisciplinar que envolveu as disciplinas de Matemática e Estudo do Meio. Os dados foram recolhidos pela professora investigadora através de gravações de vídeo e áudio, fotografias, trabalhos dos alunos e de registos da professora investigadora. Os resultados demonstraram como os alunos mobilizaram e apropriaram os conteúdos de Matemática e Estudo do Meio. Os dados, através da análise de conteúdo, parecem iv sugerir que houve uma evolução no desempenho dos alunos a vários níveis, nomeadamente: no trabalho cooperativo, no envolvimento da tarefa, nas interações estabelecidas e na motivação para a aprendizagem da Matemática e Estudo do Meio.

Percurso pedestre no Rio Este: contribuição para a educação ambiental e promoção do ensino experimental

O ensino praticado nas nossas escolas necessita ser mais consentâneo com os princípios e valores veiculados pela Educação Ambiental. Pretende-se, com este trabalho, levar os alunos a percepcionar a natureza com um olhar diferente, a estabelecer uma nova relação com o meio, adoptando uma postura pró-activa na defesa do espaço ribeirinho. Por meio de um percurso investigativo ao longo da margem esquerda de um troço do rio Este, na zona envolvente da Escola, os alunos de uma turma do 5º ano estudaram a flora autóctone existente na zona ribeirinha e recolheram amostras de água onde puderam aplicar processos de tratamento. Os temas abordados pertencem aos conteúdos leccionados nas aulas de Ciências da Natureza. Considerando que estas actividades podem ser importantes ferramentas na educação para o ambiente, elaborou-se para o grupo experimental um caderno de campo, que serviu de orientação ao estudo da flora, realizou-se uma actividade prática no laboratório, com a amostra da água recolhida. Posteriormente aplicou-se um teste, para conhecer o grau de conhecimento adquirido após a actividade e, no final, os alunos responderam a um inquérito para se conhecer o seu grau de satisfação. Ainda que os resultados do teste não mostrem diferenças significativas na aquisição de conhecimento em relação à turma não participante no projecto, a interpretação da paisagem mostrou-se um meio eficaz de envolver os alunos, desenvolver sensibilidades, construir conceitos, promover atitudes positivas que vão de encontro a uma Educação Ambiental ligada à cidadania.

Relatório de estágio

Mestrado em Educação Pré-Escolar e Ensino do 1.º Ciclo do Ensino Básico

Relatório de Estágio de Qualificação Profissional

No âmbito do Mestrado em Educação Pré-Escolar e Ensino do 1.ºCiclo do Ensino Básico, desenvolveu-se o presente relatório de qualificação profissional, em que será analisada de forma reflexiva a Prática Pedagógica Supervisionada da mestranda, em contexto da Educação Pré-Escolar. O objetivo fulcral da desta intervenção em contexto educativo consistiu em promover a construção de aprendizagens que permitissem uma tomada de consciência do compromisso e responsabilidade atribuída ao Educador de Infância. A formanda teve oportunidade de desenvolver um perfil próprio enquanto futura Educadora de Infância, tendo como base as Orientações Curriculares para a Educação Pré-Escolar, num processo ativo de investigação-ação. Comparando a ação educativa da formanda em momentos iniciais do estágio, com momentos já mais avançados neste processo, reconhece-se uma evolução nas dimensões da observação, planificação, ação, reflexão e avaliação, que compõem o ciclo reflexivo da metodologia supracitada, evolução essa que resultou num progressivo desenvolvimento de competência profissionais. Durante a intervenção no contexto educativo, a formanda recorreu a estratégias e instrumentos de reflexão, nomeadamente os guiões de pré- observação, as planificações, as narrativas colaborativas, os diários de formação, as notas de campo e as reuniões com o Supervisor Institucional, a Educadora Cooperante e a díade de formação. A organização do ambiente educativo consistiu numa das preocupações da formanda, que procurou atender à necessidade de organizar de forma flexível o espaço, tempo e grupo.

Contexts-management strategy in considering the security in urban computing based on urban design

Urban Computing (UrC) provides users with the situation-proper information by considering context of users, devices, and social and physical environment in urban life. With social network services, UrC makes it possible for people with common interests to organize a virtual-society through exchange of context information among them. In these cases, people and personal devices are vulnerable to fake and misleading context information which is transferred from unauthorized and unauthenticated servers by attackers. So called smart devices which run automatically on some context events are more vulnerable if they are not prepared for attacks. In this paper, we illustrate some UrC service scenarios, and show important context information, possible threats, protection method, and secure context management for people.

Efficient implementation of a dominance protocol for wireless medium access

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Diagnóstico ambiental dos estabelecimentos de ensino orientado para a implementação de um sistema de gestão ambiental

As instituições de ensino procuram ser impulsionadoras de boas práticas ambientais demonstrando com isso o seu compromisso com o meio ambiente e com as gerações futuras. Os Sistemas de Gestão Ambiental (SGA), nomeadamente as exigências da ISO 14001:2004 podem ser uma oportunidade para as instituições gerirem correctamente todos os seus recursos, assim como eliminarem os riscos e custos desnecessários, ao mesmo tempo que reforçam os seus valores quanto à protecção do meio ambiente, prevenção da poluição, cumprimento legal e as necessidades socioeconómicas. Pretendeu-se com este estudo determinar quais os factores que condicionam a abordagem de uma política ambiental nos estabelecimentos de ensino, relacionando-as com as diferentes características das escolas com as suas abordagens ambientais, assim como determinar quais os factores que influenciam a postura ambiental das escolas. Os resultados foram recolhidos através de um inquérito por questionário, direccionado para os estabelecimentos de ensino pré-escolar, 1º, 2º, 3º ciclos e secundário da Área Metropolitana do Porto. Através da análise das respostas de 405 escolas, conclui-se que aqueles com melhores desempenhos ambientais e melhores condições para implementar um SGA são os estabelecimentos de ensino com a tipologia EB2,3/ES, públicos, pertencentes aos concelhos de Gondomar, Mais e Sto Tirso, localizados nas zonas urbanas e com edifícios escolares recentes em excelentes ou bons estados de conservação. De um modo geral todos os estabelecimentos de ensino demonstram um desempenho ambiental considerado bom e acima do considerado satisfatório para a implementação de um SGA.

On the use of IEEE 802.15.4/Zigbee for time-sensitive wireless sensor network applications

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

A B-learning strategy for Therapeutics at the Bachelor Level

Background Information:The incorporation of distance learning activities by institutions of higher education is considered an important contribution to create new opportunities for teaching at both, initial and continuing training. In Medicine and Nursing, several papers illustrate the adaptation of technological components and teaching methods are prolific, however, when we look at the Pharmaceutical Education area, the examples are scarce. In that sense this project demonstrates the implementation and assessment of a B-Learning Strategy for Therapeutics using a “case based learning” approach. Setting: Academic Pharmacy Methods:This is an exploratory study involving 2nd year students of the Pharmacy Degree at the School of Allied Health Sciences of Oporto. The study population consists of 61 students, divided in groups of 3-4 elements. The b-learning model was implemented during a time period of 8 weeks. Results:A B-learning environment and digital learning objects were successfully created and implemented. Collaboration and assessment techniques were carefully developed to ensure the active participation and fair assessment of all students. Moodle records show a consistent activity of students during the assignments. E-portfolios were also developed using Wikispaces, which promoted reflective writing and clinical reasoning. Conclusions:Our exploratory study suggests that the “case based learning” method can be successfully combined with the technological components to create and maintain a feasible online learning environment for the teaching of therapeutics.

Using a prioritized medium access control protocol for incrementally obtaining an interpolation of sensor readings

This paper addresses sensor network applications which need to obtain an accurate image of physical phenomena and do so with a high sampling rate in both time and space. We present a fast and scalable approach for obtaining an approximate representation of all sensor readings at high sampling rate for quickly reacting to critical events in a physical environment. This approach is an improvement on previous work in that after the new approach has undergone a startup phase then the new approach can use a very small sampling period.

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.

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.

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