Implementing gateway monitoring service for infrastructure sensor networks

Wireless sensor networks and its applications have been widely researched and implemented in both commercial and non commercial areas. The usage of wireless sensor network has developed its market from military usage to daily use of human livings. Wireless sensor network applications from monitoring prospect are used in home monitoring, farm fields and habitant monitoring to buildings structural monitoring. As the usage boundaries of wireless sensor networks and its applications are emerging there are definite ongoing research, such as lifetime for wireless sensor network, security of sensor nodes and expanding the applications with modern day scenarios of applications as web services. The main focus in this thesis work is to study and implement monitoring application for infrastructure based sensor network and expand its usability as web service to facilitate mobile clients. The developed application is implemented for wireless sensor nodes information collection and monitoring purpose enabling home or office environment remote monitoring for a user.

Energy harvesting methods for wireless sensor nodes in heavy-duty vehicles

The number of autonomous wireless sensor and control nodes has been increasing rapidly during the last decade. Until recently, these wireless nodes have been powered with batteries, which have lead to a short life cycle and high maintenance need. Due to these battery-related problems, new energy sources have been studied to power wireless nodes. One solution is energy harvesting, i.e. extracting energy from the ambient environment. Energy harvesting can provide a long-lasting power source for sensor nodes, with no need for maintenance. In this thesis, various energy harvesting technologies are studied whilst focusing on the theory of each technology and the state-of-the-art solutions of published studies and commercial solutions. In addition to energy harvesting, energy storage and energy management solutions are also studied as a subsystem of a whole energy source solution. Wireless nodes are also used in heavy-duty vehicles. Therefore a reliable, long-lasting and maintenance-free power source is also needed in this kind of environment. A forestry harvester has been used as a case study to study the feasibility of energy harvesting in a forestry harvester’s sliding boom. The energy harvester should be able to produce few milliwatts to power the target system, an independent limit switch.

Delivery system for location based information in wireless IP networks

Tämä työ esittelee uuden tarjota paikasta riippuvaa tietoa langattomien tietoverkkojen käyttäjille. Tieto välitetään jokaiselle käyttäjälle tietämättä mitään käyttäjän henkilöllisyydestä. Sovellustason protokollaksi valittiin HTTP, joka mahdollistaa tämän järjestelmän saattaa tietoa perille useimmille käyttäjille, jotka käyttävät hyvinkin erilaisia päätelaitteita. Tämä järjestelmä toimii sieppaavan www-liikenteen välityspalvelimen jatkeena. Erilaisten tietokantojen sisällä on perusteella järjestelmä päättää välitetäänkö tietoa vai ei. Järjestelmä sisältää myös yksinkertaisen ohjelmiston käyttäjien paikantamiseksi yksittäisen tukiaseman tarkkuudella. Vaikka esitetty ratkaisu tähtääkin paikkaan perustuvien mainosten tarjoamiseen, se on helposti muunnettavissa minkä tahansa tyyppisen tiedon välittämiseen käyttäjille.

Improving the performance of a dismounted Future Force Warrior by means of C4I2SR

This thesis comprises seven peer-reviewed articles and examines systems and applications suitable for increasing Future Force Warrior performance, minimizing collateral damage, improving situational awareness and Common Operational Picture. Based on a literature study, missing functionalities of Future Force Warrior were identified and new ideas, concepts and solutions were created as part of early stages of Systems of Systems creation. These introduced ideas have not yet been implemented or tested in combat and for this reason benefit analyses are excluded. The main results of this thesis include the following: A new networking concept, Wireless Polling Sensor Network, which is a swarm of a few Unmanned Aerial Vehicles forming an ad-hoc network and polling a large number of fixed sensor nodes. The system is more robust in a military environment than traditional Wireless Sensor Networks. A Business Process approach to Service Oriented Architecture in a tactical setting is a concept for scheduling and sharing limited resources. New components to military Service Oriented Architecture have been introduced in the thesis. Other results of the thesis include an investigation of the use of Free Space Optics in tactical communications, a proposal for tracking neutral forces, a system for upgrading simple collaboration tools for command, control and collaboration purposes, a three-level hierarchy of Future Force Warrior, and methods for reducing incidents of fratricide.

IoT Based Pain Management using Physiological Parameters

The continuous technology evaluation is benefiting our lives to a great extent. The evolution of Internet of things and deployment of wireless sensor networks is making it possible to have more connectivity between people and devices used extensively in our daily lives. Almost every discipline of daily life including health sector, transportation, agriculture etc. is benefiting from these technologies. There is a great potential of research and refinement of health sector as the current system is very often dependent on manual evaluations conducted by the clinicians. There is no automatic system for patient health monitoring and assessment which results to incomplete and less reliable heath information. Internet of things has a great potential to benefit health care applications by automated and remote assessment, monitoring and identification of diseases. Acute pain is the main cause of people visiting to hospitals. An automatic pain detection system based on internet of things with wireless devices can make the assessment and redemption significantly more efficient. The contribution of this research work is proposing pain assessment method based on physiological parameters. The physiological parameters chosen for this study are heart rate, electrocardiography, breathing rate and galvanic skin response. As a first step, the relation between these physiological parameters and acute pain experienced by the test persons is evaluated. The electrocardiography data collected from the test persons is analyzed to extract interbeat intervals. This evaluation clearly demonstrates specific patterns and trends in these parameters as a consequence of pain. This parametric behavior is then used to assess and identify the pain intensity by implementing machine learning algorithms. Support vector machines are used for classifying these parameters influenced by different pain intensities and classification results are achieved. The classification results with good accuracy rates between two and three levels of pain intensities shows clear indication of pain and the feasibility of this pain assessment method. An improved approach on the basis of this research work can be implemented by using both physiological parameters and electromyography data of facial muscles for classification.

Performance Analysis of IP based WSNs in real time systems

Wireless sensor networks (WSNs) are the key enablers of the internet of things (IoT) paradigm. Traditionally, sensor network research has been to be unlike the internet, motivated by power and device constraints. The IETF 6LoWPAN draft standard changes this, defining how IPv6 packets can be efficiently transmitted over IEEE 802.15.4 radio links. Due to this 6LoWPAN technology, low power, low cost micro- controllers can be connected to the internet forming what is known as the wireless embedded internet. Another IETF recommendation, CoAP allows these devices to communicate interactively over the internet. The integration of such tiny, ubiquitous electronic devices to the internet enables interesting real-time applications. This thesis work attempts to evaluate the performance of a stack consisting of CoAP and 6LoWPAN over the IEEE 802.15.4 radio link using the Contiki OS and Cooja simulator, along with the CoAP framework Californium (Cf). Ultimately, the implementation of this stack on real hardware is carried out using a raspberry pi as a border router with T-mote sky sensors as slip radios and CoAP servers relaying temperature and humidity data. The reliability of the stack was also demonstrated during scalability analysis conducted on the physical deployment. The interoperability is ensured by connecting the WSN to the global internet using different hardware platforms supported by Contiki and without the use of specialized gateways commonly found in non IP based networks. This work therefore developed and demonstrated a heterogeneous wireless sensor network stack, which is IP based and conducted performance analysis of the stack, both in terms of simulations and real hardware.

Reusable formal architectures for networked systems

Today's networked systems are becoming increasingly complex and diverse. The current simulation and runtime verification techniques do not provide support for developing such systems efficiently; moreover, the reliability of the simulated/verified systems is not thoroughly ensured. To address these challenges, the use of formal techniques to reason about network system development is growing, while at the same time, the mathematical background necessary for using formal techniques is a barrier for network designers to efficiently employ them. Thus, these techniques are not vastly used for developing networked systems. The objective of this thesis is to propose formal approaches for the development of reliable networked systems, by taking efficiency into account. With respect to reliability, we propose the architectural development of correct-by-construction networked system models. With respect to efficiency, we propose reusable network architectures as well as network development. At the core of our development methodology, we employ the abstraction and refinement techniques for the development and analysis of networked systems. We evaluate our proposal by employing the proposed architectures to a pervasive class of dynamic networks, i.e., wireless sensor network architectures as well as to a pervasive class of static networks, i.e., network-on-chip architectures. The ultimate goal of our research is to put forward the idea of building libraries of pre-proved rules for the efficient modelling, development, and analysis of networked systems. We take into account both qualitative and quantitative analysis of networks via varied formal tool support, using a theorem prover the Rodin platform and a statistical model checker the SMC-Uppaal.

Paikkatiedon kerääminen ja hyödyntäminen WLAN-verkossa

Työn teoriaosuudessa tutustutaan ensin yleisimpiin paikannusmenetelmiin. Käsiteltävänä ovat GPS-satelliittipaikannus sekä radiosoluverkkojen paikannusmenetelmät solupaikannuksesta monimutkaisempiin signaalin ominaisuuksia tutkiviin menetelmiin. Teoriaosuudessa käsitellään myös IEEE 802.11 –standardin PHY- ja MAC-kerrosten toimintaa sekä WLAN-verkon siirtotien ominaisuuksia paikannuksen kannalta. Ennen paikannusjärjestelmän toteuttamista työssä esitellään menetelmiä ja tuloksia muista tutkimuksista samalta tutkimusalueelta. Työssä toteutetaan paikannusjärjestelmä sekä solupaikannusta että signaalitasopaikannusta hyödyntäen. Solupaikannusjärjestelmälle määritellään palvelurajapinta, jonka kautta paikannuspalvelua voidaan hyödyntää muissa palveluissa. Kaksi paikannuspalvelun päälle luotua palvelua esitellään lyhyesti malliesimerkkeinä. Signaalitasopaikannuksen osalta kuvataan kaksi menetelmään kuuluvaa vaihetta ja yksittäisten komponenttien toiminta näissä vaiheissa. Paikannusmenetelmien tarkkuutta tutkitaan mittausten avulla ja testituloksista muodostetaan paikannustarkkuutta kuvaavat tilastot. Solupaikannuksen keskimääräinen virhe on ±50 metriä. Vastaavasti signaalitasopaikannuksen virhe on ±4 metriä ja parannettua algoritmia käyttäen ±3 metriä.

Lämpötila-anturit betonielementeissä

Yleinen tapa betonin kuivumisnopeuden mittaamiseen on käyttää pieniä testivaluja kuivumisen arvioimiseen. Tälle epätarkalle tekniikalle olisi hyvä löytää korvaaja. Tässä kandidaatintyössä tutkitaan soveltuvatko lämpötila-anturilliset RFID-tunnisteet betonin kuivumisnopeuden mittaamiseen ja onko tällä tekniikalla potentiaalia syrjäyttää vanhat toimintatavat. Tämän lisäksi työssä tutkitaan laajemmin RFID-tekniikan ja erityisesti anturillisten RFID-tunnisteiden hyödyntämistä rakennusteollisuudessa. RFID-tekniikka soveltuu moniin rakennusteollisuuden käyttökohteisiin, kuten tiedon hallinnointiin ja rakenteiden kunnon seurantaan. Erilaisten elementtien, materiaalien, työkalujen yms. identifioinnilla pystytään saavuttamaan selkeitä hyötyjä ja RFID on oiva työkalu tähän. Rakenteiden kunnon seurannassa on yleistä käyttää anturiverkkoja. Näiden osalta yleisempää on käyttää langallisia verkkoja, mutta langattomuus on yleistymässä näissäkin. RFID tarjoaa myös näiden osalta uusia hyötyjä. Lämpötila-anturilliset RFID-tunnisteet soveltuvat hyvin betonin kuivumisnopeuden mittaamiseen. Tunnisteiden avulla lämpötila pystytään mittaamaan betonin sisältä. Sisäinen lämpötilan avulla betonin kuivumisnopeus pystytään määrittämään tarkemmin. Tämä tekniikka on myös nopeampi ja edullisempi kuin vanhat toimintatavat.

Lämpövuoanturin mittauselektroniikan suunnittelu ja toteutus

Energian kulutuksen vähentäminen ja sen tutkiminen on kasvavan kiinnostuksen kohteena. Syntyneen lämmön mittaaminen on yksi tapa mitata energian siirtymistä. Lämpötilan mittaaminen on yleistä, vaikka usein on merkittävämpää selvittää missä ja miten lämpöenergia on siirtynyt. Tästä syystä tarvitaan lämpövuoantureita, jotka reagoivat suoraan lämpövuohon eli lämpöenergian siirtymiseen. Tässä tutkimuksessa suunnitellaan ja toteutetaan lämpövuoanturin mittauselektroniikka vaativaan käyttöympäristöön. Työssä käytettävän gradienttilämpövuoanturin tuottama jännitesignaali on mikrovolttiluokkaa ja ympäristön aiheuttama kohina voi olla huomattavasti suurempi. Tämän takia anturin tuottamaa signaalia on vahvistettava, jotta sitä voidaan mitata luotettavasti. Tutkimuksessa keskitytään vahvistimen suunnitteluun, mutta suunnittelussa on otettava huomioon koko järjestelmä. Anturin sähköiset ominaisuudet ja ympäristö asettavat rajoitteita vahvistimelle. Tavoitteena on selvittää miten voidaan mitata mikrovolttien jännitesignaalia mahdollisimman suurella taajuuskaistalla vaativassa käyttöympäristössä. Työn tuloksena syntyi mittalaite, jota voidaan käyttää vaativassa ympäristössä lämpövuon mittaamiseen. Suunnitteluparametrien mukainen vahvistus ja päästökaista sekä offset-jännitteen ryömintä saavutettiin suunnitellulla mittalaitteella, mutta offsetjännite ja kohina olivat hieman suunniteltua suuremmat. Mittalaitteella ja lämpövuoanturilla havaittiin selvästi lämpövuon muutoksia keinotekoisilla herätteillä.