Integrating wireless sensor networks and internet of things: A coap-based approach

L'obiettivo su cui è stata basata questa Tesi di Laurea è stato quello di integrare la tecnologia delle Wireless Sensor Networks (WSN) al contesto dell'Internet delle cose (IoT). Per poter raggiungere questo obiettivo, il primo passo è stato quello di approfondire il concetto dell'Internet delle cose, in modo tale da comprendere se effettivamente fosse stato possibile applicarlo anche alle WSNs. Quindi è stata analizzata l'architettura delle WSNs e successivamente è stata fatta una ricerca per capire quali fossero stati i vari tipi di sistemi operativi e protocolli di comunicazione supportati da queste reti. Infine sono state studiate alcune IoT software platforms. Il secondo passo è stato quindi di implementare uno stack software che abilitasse la comunicazione tra WSNs e una IoT platform. Come protocollo applicativo da utilizzare per la comunicazione con le WSNs è stato usato CoAP. Lo sviluppo di questo stack ha consentito di estendere la piattaforma SensibleThings e il linguaggio di programmazione utilizzato è stato Java. Come terzo passo è stata effettuata una ricerca per comprendere a quale scenario di applicazione reale, lo stack software progettato potesse essere applicato. Successivamente, al fine di testare il corretto funzionamento dello stack CoAP, è stata sviluppata una proof of concept application che simulasse un sistema per la rilevazione di incendi. Questo scenario era caratterizzato da due WSNs che inviavano la temperatura rilevata da sensori termici ad un terzo nodo che fungeva da control center, il cui compito era quello di capire se i valori ricevuti erano al di sopra di una certa soglia e quindi attivare un allarme. Infine, l'ultimo passo di questo lavoro di tesi è stato quello di valutare le performance del sistema sviluppato. I parametri usati per effettuare queste valutazioni sono stati: tempi di durata delle richieste CoAP, overhead introdotto dallo stack CoAP alla piattaforma Sensible Things e la scalabilità di un particolare componente dello stack. I risultati di questi test hanno mostrato che la soluzione sviluppata in questa tesi ha introdotto un overheadmolto limitato alla piattaforma preesistente e inoltre che non tutte le richieste hanno la stessa durata, in quanto essa dipende dal tipo della richiesta inviata verso una WSN. Tuttavia, le performance del sistema potrebbero essere ulteriormente migliorate, ad esempio sviluppando un algoritmo che consenta la gestione concorrente di richieste CoAP multiple inviate da uno stesso nodo. Inoltre, poichè in questo lavoro di tesi non è stato considerato il problema della sicurezza, una possibile estensione al lavoro svolto potrebbe essere quello di implementare delle politiche per una comunicazione sicura tra Sensible Things e le WSNs.

MaxMAC: a Maximally Traffic-Adaptive MAC Protocol for Wireless Sensor Networks

Energy efficiency is a major concern in the design of Wireless Sensor Networks (WSNs) and their communication protocols. As the radio transceiver typically accounts for a major portion of a WSN node’s power consumption, researchers have proposed Energy-Efficient Medium Access (E2-MAC) protocols that switch the radio transceiver off for a major part of the time. Such protocols typically trade off energy-efficiency versus classical quality of service parameters (throughput, latency, reliability). Today’s E2-MAC protocols are able to deliver little amounts of data with a low energy footprint, but introduce severe restrictions with respect to throughput and latency. Regrettably, they yet fail to adapt to varying traffic load at run-time. This paper presents MaxMAC, an E2-MAC protocol that targets at achieving maximal adaptivity with respect to throughput and latency. By adaptively tuning essential parameters at run-time, the protocol reaches the throughput and latency of energy-unconstrained CSMA in high-traffic phases, while still exhibiting a high energy-efficiency in periods of sparse traffic. The paper compares the protocol against a selection of today’s E2-MAC protocols and evaluates its advantages and drawbacks.

SNOMC: An overlay multicast protocol for Wireless Sensor Networks

Using multicast communication in Wireless Sensor Networks (WSNs) is an efficient way to disseminate the same data (from one sender) to multiple receivers, e.g., transmitting code updates to a group of sensor nodes. Due to the nature of code update traffic a multicast protocol has to support bulky traffic and end-to-end reliability. We are interested in an energy-efficient multicast protocol due to the limited resources of wireless sensor nodes. Current data dissemination schemes do not fulfill the above requirements. In order to close the gap, we designed and implemented the SNOMC (Sensor Node Overlay Multicast) protocol. It is an overlay multicast protocol, which supports reliable, time-efficient, and energy-efficient data dissemination of bulky data from one sender to many receivers. To ensure end-to-end reliability, SNOMC uses a NACK-based reliability mechanism with different caching strategies.

TCP Performance Optimizations for Wireless Sensor Networks

Since the appearance of downsized and simplified TCP/IP stacks, single nodes from Wireless Sensor Networks (WSNs) have become directly accessible from the Internet with commonly used networking tools and applications (e.g., Telnet or SMTP). However, TCP has been shown to perform poorly in wireless networks, especially across multiple wireless hops. This paper examines TCP performance optimizations based on distributed caching and local retransmission strategies of intermediate nodes in a TCP connection, and proposes extended techniques to these strategies. The paper studies the impact of different radio duty-cycling MAC protocols on the end-to-end TCP performance when using the proposed TCP optimization strategies in an extensive experimental evaluation on a real-world sensor network testbed.

PROOF OF CONCEPT PROTOTYPE FOR A RAILROAD PEDESTRIAN WARNING SYSTEM USING WIRELESS SENSOR NETWORKS

Wireless sensor network is an emerging research topic due to its vast and ever-growing applications. Wireless sensor networks are made up of small nodes whose main goal is to monitor, compute and transmit data. The nodes are basically made up of low powered microcontrollers, wireless transceiver chips, sensors to monitor their environment and a power source. The applications of wireless sensor networks range from basic household applications, such as health monitoring, appliance control and security to military application, such as intruder detection. The wide spread application of wireless sensor networks has brought to light many research issues such as battery efficiency, unreliable routing protocols due to node failures, localization issues and security vulnerabilities. This report will describe the hardware development of a fault tolerant routing protocol for railroad pedestrian warning system. The protocol implemented is a peer to peer multi-hop TDMA based protocol for nodes arranged in a linear zigzag chain arrangement. The basic working of the protocol was derived from Wireless Architecture for Hard Real-Time Embedded Networks (WAHREN).