A wireless sensor network platform for structural health monitoring: enabling accurate and synchronized measurements through COTS+custom-based design

Structural health monitoring has long been identified as a prominent application of Wireless Sensor Networks (WSNs), as traditional wired-based solutions present some inherent limitations such as installation/maintenance cost, scalability and visual impact. Nevertheless, there is a lack of ready-to-use and off-the-shelf WSN technologies that are able to fulfill some most demanding requirements of these applications, which can span from critical physical infrastructures (e.g. bridges, tunnels, mines, energy grid) to historical buildings or even industrial machinery and vehicles. Low-power and low-cost yet extremely sensitive and accurate accelerometer and signal acquisition hardware and stringent time synchronization of all sensors data are just examples of the requirements imposed by most of these applications. This paper presents a prototype system for health monitoring of civil engineering structures that has been jointly conceived by a team of civil, and electrical and computer engineers. It merges the benefits of standard and off-the-shelf (COTS) hardware and communication technologies with a minimum set of custom-designed signal acquisition hardware that is mandatory to fulfill all application requirements.

Hospitalization of older adults due to ambulatory care sensitive conditions

OBJECTIVE To analyze the temporal evolution of the hospitalization of older adults due to ambulatory care sensitive conditions according to their structure, magnitude and causes. METHODS Cross-sectional study based on data from the Hospital Information System of the Brazilian Unified Health System and from the Primary Care Information System, referring to people aged 60 to 74 years living in the state of Rio de Janeiro, Souhteastern Brazil. The proportion and rate of hospitalizations due to ambulatory care sensitive conditions were calculated, both the global rate and, according to diagnoses, the most prevalent ones. The coverage of the Family Health Strategy and the number of medical consultations attended by older adults in primary care were estimated. To analyze the indicators’ impact on hospitalizations, a linear correlation test was used. RESULTS We found an intense reduction in hospitalizations due to ambulatory care sensitive conditions for all causes and age groups. Heart failure, cerebrovascular diseases and chronic obstructive pulmonary diseases concentrated 50.0% of the hospitalizations. Adults older than 69 years had a higher risk of hospitalization due to one of these causes. We observed a higher risk of hospitalization among men. A negative correlation was found between the hospitalizations and the indicators of access to primary care. CONCLUSIONS Primary healthcare in the state of Rio de Janeiro has been significantly impacting the hospital morbidity of the older population. Studies of hospitalizations due to ambulatory care sensitive conditions can aid the identification of the main causes that are sensitive to the intervention of the health services, in order to indicate which actions are more effective to reduce hospitalizations and to increase the population’s quality of life.

Hospitalizations for ambulatory care-sensitive conditions, Minas Gerais, Southeastern Brazil, 2000 and 2010

OBJECTIVE To analyze hospitalization rates and the proportion of deaths due to ambulatory care-sensitive hospitalizations and to characterize them according to coverage by the Family Health Strategy, a primary health care guidance program. METHODS An ecological study comprising 853 municipalities in the state of Minas Gerais, under the purview of 28 regional health care units, was conducted. We used data from the Hospital Information System of the Brazilian Unified Health System. Ambulatory care-sensitive hospitalizations in 2000 and 2010 were compared. Population data were obtained from the demographic censuses. RESULTS The number of ambulatory care-sensitive hospitalizations declined from 20.75/1,000 inhabitants [standard deviation (SD) = 10.42) in 2000 to 14.92/thousand inhabitants (SD = 10.04) in 2010 Heart failure was the most frequent cause in both years. Hospitalizations rates for hypertension, asthma, and diabetes mellitus, decreased, whereas those for angina pectoris, prenatal and birth disorders, kidney and urinary tract infections, and other acute infections increased. Hospitalization durations and the proportion of deaths due to ambulatory care-sensitive hospitalizations increased significantly. CONCLUSIONS Mean hospitalization rates for sensitive conditions were significantly lower in 2010 than in 2000, but no correlation was found with regard to the expansion of the population coverage of the Family Health Strategy. Hospitalization rates and proportion of deaths were different between the various health care regions in the years evaluated, indicating a need to prioritize the primary health care with high efficiency and quality.

A multidimensional scaling classification of robotic sensors

This chapter analyzes the signals captured during impacts and vibrations of a mechanical manipulator. Eighteen signals are captured and several metrics are calculated between them, such as the correlation, the mutual information and the entropy. A sensor classification scheme based on the multidimensional scaling technique is presented.

Substituted P-Phenylene Ethynylene trimers as fluorescent sensors for nitroaromatic explosives

New sensory materials based on p-phenylene ethynylene trimers integrating calix[4]arene receptors (CALIX-PET) and tert-butylphenol (TBP-PET) moieties have been synthesized and their sensitivity and selectivity for the detection of nitroaromatic compounds (NACs) such as nitrobenzene (NB), 2,4-dinitrotoluene (2,4-DNT), 2,4,6-trinitrotoluene (TNT) and picric acid (PA) investigated in fluid phase and solid-state. It was found that both fluorophores displayed high sensitivities toward NACs detection in solution as evaluated by the Stern-Volmer formalism. For all the tested explosives, the ratio of fluorescence intensities (F-0/F) is a linear function of the quencher concentration only after appropriate correction of fluorescence quenching data for inner-filter effects. The quenching efficiencies for CALIX-PET and TBP-PET follow the order PA >> TNT > DNT > NB, which correlate well with the quenchers electron affinities as evaluated from their LUMOs energies thereby suggesting a photoinduced electron transfer as the dominant mechanism of fluorescence quenching. The selectivity of these sensors was checked against exemplar interferents possessing differentiated electronic properties (benzoic acid, 2,4-dichlorophenol and benzoquinone) and reduced quenching activity was detected. The quenching efficiencies and response times of the two fluorophores in the solid-state toward NB, 2,4-DNT and TNT vapors were evaluated through steady-state fluorescence quenching experiments with the materials dispersed in polymeric matrices or as neat films. The most significant fluorescence quenching responses were achieved for drop-casted films of TBP-PET upon exposure to nitroaromatics.

Sensors on mobile devices for AAL

Com o envelhecimento da população, as preocupações com a garantia do seu bem-estar aumentam criando a necessidade de desenvolver ferramentas que permitam monitorizar em permanência este sector da população. A utilização de smartphones pelos mais velhos pode ser crucial no seu bem-estar e na sua autonomia contribuindo para a recolha de informação importante já que estes estão muitas vezes equipados com sensores que podem dar indicações preciosas ao cuidador sobre o estado atual do paciente. Os sensores podem fornecer dados sobre a atividade física do paciente, bem como detetar quedas ou calcular a sua posição, com a ajuda do acelerómetro, do giroscópio e do sensor de campo magnético. No entanto, funcionalidades como essas requerem, obrigatoriamente, uma frequência de amostragem mínima por parte dos sensores que permita a implementação de algoritmos, que determinarão esses parâmetros da forma mais exata possível. Dado que nem sempre os pacientes se fazem acompanhar do seu smartphone quando estão na sua residência, a criação de ambientes de AAL (Ambient Assisted Living) com recurso a dispositivos externos que podem ser “vestidos” pelos pacientes pode também ser uma solução adequada. Estes contêm normalmente os mesmos sensores que os smartphones e comunicam com estes através de tecnologias sem fios, como é o caso do Bluetooth Low Energy. Neste trabalho, avaliou-se a possibilidade de alteração da frequência dos sensores em diferentes sistemas operativos, tendo sido efectuadas modificações nas instalações por defeito de alguns sistemas operativos abertos. Com o objectivo de permitir a criação de uma solução de AAL com recurso a um dispositivo externo implementaram-se serviços e perfis num dispositivo externo, o SensorTag.

Low-cost vibration sensors: tendencies and applications in condition monitoring of machines and structures

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

RFID-based wireless passive sensors utilizing cork materials

This paper presents the design of low-cost, conformal UHF antennas and RFID tags on two types of cork substrates: 1) natural cork and 2) agglomerate cork. Such RFID tags find an application in wine bottle and barrel identification, and in addition, they are suitable for numerous antenna-based sensing applications. This paper includes the high-frequency characterization of the selected cork substrates considering the anisotropic behavior of such materials. In addition, the variation of their permittivity values as a function of the humidity is also verified. As a proof-of-concept demonstration, three conformal RFID tags have been implemented on cork, and their performance has been evaluated using both a commercial Alien ALR8800 reader and an in-house measurement setup. The reading of all tags has been checked, and a satisfactory performance has been verified, with reading ranges spanning from 0.3 to 6 m. In addition, this paper discusses how inkjet printing can be applied to cork surfaces, and an RFID tag printed on cork is used as a humidity sensor. Its performance is tested under different humidity conditions, and a good range in excess of 3 m has been achieved, allied to a good sensitivity obtained with a shift of >5 dB in threshold power of the tag for different humid conditions.

Sensitive bi-enzymatic biosensor based on polyphenoloxidases–gold nanoparticles–chitosan hybrid film–graphene doped carbon paste electrode for carbamates detection

A bi-enzymatic biosensor (LACC–TYR–AuNPs–CS/GPE) for carbamates was prepared in a single step by electrodeposition of a hybrid film onto a graphene doped carbon paste electrode (GPE). Graphene and the gold nanoparticles (AuNPs) were morphologically characterized by transmission electron microscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, dynamic light scattering and laser Doppler velocimetry. The electrodeposited hybrid film was composed of laccase (LACC), tyrosinase (TYR) and AuNPs entrapped in a chitosan (CS) polymeric matrix. Experimental parameters, namely graphene redox state, AuNPs:CS ratio, enzymes concentration, pH and inhibition time were evaluated. LACC–TYR–AuNPs–CS/GPE exhibited an improved Michaelis–Menten kinetic constant (26.9 ± 0.5 M) when compared with LACC–AuNPs–CS/GPE (37.8 ± 0.2 M) and TYR–AuNPs–CS/GPE (52.3 ± 0.4 M). Using 4-aminophenol as substrate at pH 5.5, the device presented wide linear ranges, low detection limits (1.68×10− 9 ± 1.18×10− 10 – 2.15×10− 7 ± 3.41×10− 9 M), high accuracy, sensitivity (1.13×106 ± 8.11×104 – 2.19×108 ± 2.51×107 %inhibition M− 1), repeatability (1.2–5.8% RSD), reproducibility (3.2–6.5% RSD) and stability (ca. twenty days) to determine carbaryl, formetanate hydrochloride, propoxur and ziram in citrus fruits based on their inhibitory capacity on the polyphenoloxidases activity. Recoveries at two fortified levels ranged from 93.8 ± 0.3% (lemon) to 97.8 ± 0.3% (orange). Glucose, citric acid and ascorbic acid do not interfere significantly in the electroanalysis. The proposed electroanalytical procedure can be a promising tool for food safety control.

Building a person home behavior model based on data from smart house sensors 2015

Dissertação para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica Ramo de Energia

Humidity passive sensors based on UHF RFID using cork dielectric slabs

In this paper we show the design of passive UHF RFID tag antenna on cork substrate. Due to the cork sensitivity to humidity changes, we can use the developed sensor to sense changes in the relative humidity of the environment, without the need for batteries. The antenna is built using inkjet printing technology, which allows a good accuracy of the design manufacturing. The sensor proved usable for humidity changes detection with a variation of threshold power from 11 to 15 dB between 60 and near 100% humidity levels. Presenting, therefore, reading ranges between 3 to 5 meters. © 2015 EurAAP.

4Sensing - decentralized processing for participatory sensing data

Trabalho apresentado no âmbito do Mestrado em Engenharia Informática, como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Informática.

Environmental/Regatta Buoy: Telemetry and Configuration

A monitorização ambiental é essencial para a tomada de decisões tanto na ciência como na indústria. Em particular, uma vez que a água é essencial à vida e a superfície da Terra é composta principalmente por água, a monitorização do clima e dos parâmetros relacionados com a água em ecossistemas sensíveis, tais como oceanos, lagoas, rios e lagos, é de extrema importância. Um dos métodos mais comuns para monitorar a água é implantar bóias. O presente trabalho está integrado num projeto mais amplo, com o objetivo de projectar e desenvolver uma bóia autónoma para a investigação científica com dois modos de funcionamento: (i) monitorização ambiental ; e (ii) baliza ativa de regata. Assim, a bóia tem duas aplicações principais: a coleta e armazenamento de dados e a assistência a regatas de veleiros autónomos. O projeto arrancou há dois anos com um grupo de quatro estudantes internacionais. Eles projetaram e construíram a estrutura física, compraram e montaram o sistema de ancoragem da bóia e escolherem a maioria dos componentes electrónicos para o sistema geral de controlo e medição. Este ano, durante o primeiro semestre, dois estudantes belgas - Jeroen Vervenne e Hendrick Verschelde – trabalharam nos subsistemas de recolha e armazenamento de dados (unidade de controlo escrava) e de telemetria e configuração (unidade de controlo mestre) assim como definiram o protocolo de comunicação da aplicação. O trabalho desta tese continua o desenvolvimento do subsistema de telemetria e configuração. Este subsistema _e responsável pela configuração do modo de funcionamento e dos sensores assim como pela comunicação com a estacão de base (controlo ambiental), barcos (baliza ativa de regata) e com o subsistema de recolha e armazenamento de dados. O desenvolvimento do subsistema de recolha e armazenamento de dados, que coleta e armazena num cartão SD os dados dos sensores selecionados, prossegue com outro estudante belga - Mathias van Flieberge. O objetivo desta tese é, por um lado, implementar o subsistema de telemetria e de configuração na unidade de controle mestre e, por outro lado, refinar e implementar, conjuntamente com Mathias van Flieberge, o protocolo de nível de aplicação projetado. Em particular, a unidade de controlo mestre deve processar e atribuir prioridades às mensagens recebidas da estacão base, solicitar dados à unidade de controlo escrava e difundir mensagens com informação de posição e condições de vento e água no modo de regata. Enquanto que a comunicação entre a unidade de controlo mestre e a estacão base e a unidade de controlo mestre e os barcos é sem fios, a unidade de controlo mestre e a unidade de controlo escrava comunicam através de uma ligação série. A bóia tem atualmente duas limitações: (i) a carga máxima é de 40 kg; e (ii) apenas pode ser utilizada em rios ou próximo da costa dada à limitação de distância imposta pela técnica de comunicação sem fios escolhida.

Desenvolvimento de um método potenciométrico para deteção de salmonella typhimurium

A Salmonella é um microrganismo responsável por grande parte das doenças alimentares, podendo por em causa a saúde pública da área contaminada. Uma deteção rápida, eficiente e altamente sensível e extremamente importante, sendo um campo em franco desenvolvimento e alvo de variados e múltiplos estudos na comunidade cientifica atual. Foi desenvolvido um método potenciométrico para a deteção de Salmonellas, com elétrodos seletivos de iões, construídos em laboratório com pontas de micropipetas, fios de prata e sensores com composição otimizada. O elétrodo indicador escolhido foi um ESI seletivo a cadmio, para redução da probabilidade de interferências no método, devido a pouca abundancia do cadmio em amostras alimentares. Elétrodos seletivos a sódio, elétrodos de Ag/AgCl de simples e de dupla juncão foram também construídos e caracterizados para serem aplicados como elétrodos de referência. Adicionalmente otimizaram-se as condições operacionais para a analise potenciométrica, nomeadamente o elétrodo de referencia utilizado, condicionamento dos elétrodos, efeito do pH e volume da solução amostra. A capacidade de realizar leituras em volumes muito pequenos com limites de deteção na ordem dos micromolares por parte dos ESI de membrana polimérica, foi integrada num ensaio com um formato nao competitivo ELISA tipo sanduiche, utilizando um anticorpo primário ligado a nanopartículas de Fe@Au, permitindo a separação dos complexos anticorpo-antigénio formados dos restantes componentes em cada etapa do ensaio, pela simples aplicação de um campo magnético. O anticorpo secundário foi marcado com nanocristais de CdS, que são bastante estáveis e é fácil a transformação em Cd2+ livre, permitindo a leitura potenciométrica. Foram testadas várias concentrações de peroxido de hidrogénio e o efeito da luz para otimizar a dissolução de CdS. O método desenvolvido permitiu traçar curvas de calibração com soluções de Salmonellas incubadas em PBS (pH 4,4) em que o limite de deteção foi de 1100 CFU/mL e de 20 CFU/mL, utilizando volumes de amostra de 10 ƒÊL e 100 ƒÊL, respetivamente para o intervalo de linearidade de 10 a 108 CFU/mL. O método foi aplicado a uma amostra de leite bovino. A taxa de recuperação media obtida foi de 93,7% } 2,8 (media } desvio padrão), tendo em conta dois ensaios de recuperação efetuados (com duas replicas cada), utilizando um volume de amostra de 100 ƒÊL e concentrações de 100 e 1000 CFU/mL de Salmonella incubada.