Urubu: energy scavenging in wireless sensor networks

For the past years wireless sensor networks (WSNs) have been coined as one of the most promising technologies for supporting a wide range of applications. However, outside the research community, few are the people who know what they are and what they can offer. Even fewer are the ones that have seen these networks used in real world applications. The main obstacle for the proliferation of these networks is energy, or the lack of it. Even though renewable energy sources are always present in the networks environment, designing devices that can efficiently scavenge that energy in order to sustain the operation of these networks is still an open challenge. Energy scavenging, along with energy efficiency and energy conservation, are the current available means to sustain the operation of these networks, and can all be framed within the broader concept of “Energetic Sustainability”. A comprehensive study of the several issues related to the energetic sustainability of WSNs is presented in this thesis, with a special focus in today’s applicable energy harvesting techniques and devices, and in the energy consumption of commercially available WSN hardware platforms. This work allows the understanding of the different energy concepts involving WSNs and the evaluation of the presented energy harvesting techniques for sustaining wireless sensor nodes. This survey is supported by a novel experimental analysis of the energy consumption of the most widespread commercially available WSN hardware platforms.

Auditoria energética e da QAI no âmbito do SCE de um edifício de serviços

Este trabalho foi realizado no âmbito da disciplina de Dissertação/Estágio do ramo de Optimização Energética na Indústria Química, do Mestrado em Engenharia Química do Instituto Superior de Engenharia do Porto e foi desenvolvido na empresa GreenWatt. O principal objectivo é efectuar uma auditoria energética e uma auditoria QAI a uma clínica de fisiatria de forma a preparar as ferramentas necessárias para a Certificação Energética e da QAI no enquadramento do Sistema de Certificação Energética. Na auditoria QAI foram analisados parâmetros físicos - temperatura, humidade relativa e partículas respiráveis PM10, parâmetros químicos - CO2, CO, O3, COVs, HCOH e o radão, e ainda parâmetros microbiológicos - bactérias, fungos e legionella. Na auditoria energética foi feita a caracterização dos vectores de energia utilizados no edifício, nomeadamente, gás natural e electricidade. Para esta caracterização efectuou-se um levantamento de toda a informação disponível relativa aos combustíveis utilizados, iluminação instalada, outros equipamentos consumidores de energia e perfis de utilização. Com recurso a analisadores de energia foram ainda medidos os consumos eléctricos do edifício. Com suporte nos dados provenientes da auditoria energética e das facturas anuais efectuou-se a validação da simulação dinâmica do edifício. Esta simulação é a base do cálculo do IEEnominal do edifício. Os resultados da auditoria QAI, permitiram verificar que existem valores nãoregulamentares em relação aos compostos orgânicos voláteis, fungos e bactérias. Da auditoria energética concluiu-se que o principal consumo de energia é o gás natural utilizado pelas caldeiras existentes. Este valor representa cerca de 81% do consumo total de energia, reproduzindo os mesmos resultados obtidos pela desagregação das facturas energéticas. No que respeita à electricidade concluiu-se que as bombas de água e os equipamentos eléctricos são os maiores consumidores deste vector, com, respectivamente, 53% e 23% do consumo total de energia eléctrica. Após a realização da simulação dinâmica, com base nos levantamentos realizados no edifício e na auditoria energética efectuada, obteve-se uma fotografia do edifício no que respeita ao seu desempenho energético, e calculou-se um IEEnominal de 40,54 kgep/m2.ano o que qualifica o edifício com uma Classe Energética E. O valor de CO2 emitido por este edifício em termos nominais, anualmente, é de 76,39 toneladas.

Optimização da gestão de energia e da segurança de um edifício baseada num sistema técnico centralizado

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica Perfil Energia, Refrigeração e Climatização

Reabilitação de edifícios com novas tendências NZEB: caso de estudo: edifício de serviços em Setúbal

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

Reabilitação energética de um edifício de serviços

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil na Área de Especialização de Edificações

Reabilitação energética de um edifício de serviços: convergência para NZEB

Dissertação de Natureza Científica para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil na Área de Especialização de Edificações

NZEB: um desafio para a engenharia civil

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

Quantifying the channel quality for interference-aware wireless sensor networks

Reliability of communications is key to expand application domains for sensor networks. SinceWireless Sensor Networks (WSN) operate in the license-free Industrial Scientific and Medical (ISM) bands and hence share the spectrum with other wireless technologies, addressing interference is an important challenge. In order to minimize its effect, nodes can dynamically adapt radio resources provided information about current spectrum usage is available. We present a new channel quality metric, based on availability of the channel over time, which meaningfully quantifies spectrum usage. We discuss the optimum scanning time for capturing the channel condition while maintaining energy-efficiency. Using data collected from a number of Wi-Fi networks operating in a library building, we show that our metric has strong correlation with the Packet Reception Rate (PRR). This suggests that quantifying interference in the channel can help in adapting resources for better reliability. We present a discussion of the usage of our metric for various resource allocation and adaptation strategies.

Moradia no centro histórico do Montijo: reabilitação vs construção nova

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil na Área de Especialização de Edificações

Energy efficient scheduling for cluster-tree wireless sensor networks with time-bounded data flows: application to IEEE 802.15.4/ZigBee

Cluster scheduling and collision avoidance are crucial issues in large-scale cluster-tree Wireless Sensor Networks (WSNs). The paper presents a methodology that provides a Time Division Cluster Scheduling (TDCS) mechanism based on the cyclic extension of RCPS/TC (Resource Constrained Project Scheduling with Temporal Constraints) problem for a cluster-tree WSN, assuming bounded communication errors. The objective is to meet all end-to-end deadlines of a predefined set of time-bounded data flows while minimizing the energy consumption of the nodes by setting the TDCS period as long as possible. Sinceeach cluster is active only once during the period, the end-to-end delay of a given flow may span over several periods when there are the flows with opposite direction. The scheduling tool enables system designers to efficiently configure all required parameters of the IEEE 802.15.4/ZigBee beaconenabled cluster-tree WSNs in the network design time. The performance evaluation of thescheduling tool shows that the problems with dozens of nodes can be solved while using optimal solvers.

Zigbee over tinyos: Implementation and experimental challenges

The IEEE 802.15.4/Zigbee protocols are a promising technology for Wireless Sensor Networks (WSNs). This paper shares our experience on the implementation and use of these protocols and related technologies in WSNs. We present problems and challenges we have been facing in implementing an IEEE 802.15.4/ZigBee stack for TinyOS in a two-folded perspective: IEEE 802.15.4/ZigBee protocol standards limitations (ambiguities and open issues) and technological limitations (hardware and software). Concerning the former, we address challenges for building scalable and synchronized multi-cluster ZigBee networks, providing a trade-off between timeliness and energy-efficiency. On the latter issue, we highlight implementation problems in terms of hardware, timer handling and operating system limitations. We also report on our experience from experimental test-beds, namely on physical layer aspects such as coexistence problems between IEEE 802.15.4 and 802.11 radio channels.

The electric vehicles as a mean to reduce Co2 emissions and energy costs in isolated regions: the São Miguel (Azores) case study

Most of small islands around the world today, are dependent on imported fossil fuels for the majority of their energy needs especially for transport activities and electricity production. The use of locally renewable energy resources and the implementation of energy efficiency measures could make a significant contribution to their economic development by reducing fossil fuel imports. An electrification of vehicles has been suggested as a way to both reduce pollutant emissions and increase security of supply of the transportation sector by reducing the dependence on oil products imports and facilitate the accommodation of renewable electricity generation, such as wind and, in the case of volcanic islands like Sao Miguel (Azores) of the geothermal energy whose penetration has been limited by the valley electricity consumption level. In this research, three scenarios of EV penetration were studied and it was verified that, for a 15% LD fleet replacement by EVs with 90% of all energy needs occurring during the night, the accommodation of 10 MW of new geothermal capacity becomes viable. Under this scenario, reductions of 8% in electricity costs, 14% in energy, 23% in fossil fuels use and CO2 emissions for the transportation and electricity production sectors could be expected.

Eficiência energética, aplicação em edifícios de serviços: o caso do hospital do ICUF

Mestrado em Engenharia Electrotécnica – Sistemas Eléctricos de Energia

Avaliação do desempenho energético de um grande edifício de serviços existente

Nesta dissertação pretende-se caracterizar o desempenho energético de um grande edifício de serviços existente, da tipologia ensino, avaliar e identificar potenciais medidas que melhorem aquele desempenho, permitindo, em complemento, determinar a sua classificação energética no âmbito da legislação vigente. A pertinência do estudo prende-se com a avaliação do desempenho energético dos edifícios e com o estudo de medidas de melhoria que permitam incrementar a eficiência energética, por recurso a um programa de simulação energética dinâmica certificado – DesignBuilder e tendo em conta a regulamentação portuguesa em vigor. Inicialmente procedeu-se à modelação do edifício com recurso ao programa DesignBuilder, e, simultaneamente, realizou-se um levantamento de todas as suas características ao nível de geometria, pormenores construtivos, sistemas AVAC e de iluminação e fontes de energia utilizadas. Com vista à caracterização do modo de operação do edifício, foi realizado um levantamento dos perfis reais de utilização em termos de ocupação, iluminação e equipamentos para os vários espaços. Foram realizadas medições de caudais de ar novo e da temperatura do ar, em alguns equipamentos e alguns espaços específicos. Foram realizadas medições em tempo real e leituras de contagens da energia eléctrica utilizada, quer em período de aulas quer em período de férias, que permitiram a desagregação das facturas da energia eléctrica que se apresentam globais para o campus do ISEP. Foram realizadas leituras de contagens de gás natural. Em sequência, foi realizada a simulação energética dinâmica com o intuito de ajustar o modelo criado aos consumos reais e de analisar medidas de melhoria que lhe conferissem um melhor desempenho energético. Essas medidas são agrupadas em quatro tipos: - Medidas de natureza comportamental; - Medidas de melhoria da eficiência energética nos sistemas de iluminação; - Medidas de melhoria de eficiência energética nos sistemas AVAC;- Medidas que visam a introdução de energias de fonte renovável; Em sequência, foi elaborada a simulação nominal e calculados os indicadores de eficiência energética com vista à respectiva classificação energética do edifício, tendo o edifício apresentado uma Classe Energética D de acordo com a escala do SCE. Finalmente, foi avaliado o impacto das diferentes medidas de melhoria identificadas e com potencial de aplicação, isto é, que apresentaram um retorno simples do investimento inferior a oito anos, tanto ao nível do desempenho energético real do edifício, como ao nível da sua classificação energética. De onde se concluiu que existe um potencial de 7% de redução nos consumos energéticos actuais do edifício e de 18% se o funcionamento do edifício for em pleno, ou seja, se todos os seus sistemas estiverem efectivamente em funcionamento, e que terá impacto na classificação energética alcançado uma Classe Energética C.

Gestão de instalações eléctricas para optimização do desempenho, eficiência e qualidade de energia em grandes edifícios com integração de Miniprodução

As alterações climáticas e as emissões de CO2 são questões que suscitam a nível internacional e nacional o desenvolvimento de estratégias que atenuem os seus impactes. A Eficiência Energética (EE) é essencial para que num futuro próximo não haja impactes significativos no meio ambiente devido a elevado e ineficiente consumo energético. A União Europeia (UE) e Portugal têm desenvolvido políticas e programas que estimulam a eficiência energética, bem como a diminuição de gases com efeito de estufa (GEE) e a promoção da utilização de fontes de energia renovável. Por outro lado vivemos numa sociedade que passa cerca de 80% do seu tempo em edifícios e, nestes, é consumida 40% da energia mundial. Com uma dependência energética superior a 80%, Portugal tem vindo a apostar, nos últimos anos, em fontes de energia renovável. Esta aposta serve como substituição de fontes, mas não leva directamente à redução de consumos. A redução da factura de energia só pode ser atingida com uma maior eficiência energética e melhores práticas de gestão de energia em edifícios, transportes e industria. Esta dissertação centra-se especificamente num conjunto de edifícios públicos, património municipal da autarquia de Matosinhos, cujo modelo de fornecimento da energia eléctrica é passível de análise crítica no sentido de uma optimização radical ao nível da concepção da rede e exploração, com consequente redução de custos ao nível da facturação. Esta nova metodologia de exploração e gestão de sistemas eléctricos incidirá na criação de um “campus” energético autárquico resultante do novo layout da rede e respectivo fornecimento de energia a partir da rede de distribuição pública. O estudo permitirá fornecer ferramentas fundamentais para a gestão municipal e empresarial ao nível da sustentabilidade energética nos edifícios públicos com abrangência aos serviços empresariais. De referir que a gestão das instalações eléctricas para optimização do desempenho, eficiência e qualidade de energia é aplicável aos 308 municípios nacionais com relevância para as empresas que apresentam consumos significativos nos seus edifícios. Enquanto funcionário da Câmara Municipal de Matosinhos, este município foi uma escolha natural como referência, na análise da relação existente entre a administração local e a gestão da energia. Para ajudar à análise foi efectuado um benchmarketing a cinco edifícios municipais: Edifício dos Paços do Concelho, Biblioteca Municipal Florbela Espanca, Palacete Visconde Trevões, ex-Edifício dos SMAS e Edifício do ex-Tribunal, visando potenciar a correcta gestão de energia destes edifícios por parte das entidades que os gerem, perante novas oportunidades de melhoria e soluções encontradas. Como contributo às metas impostas pela Directiva 2009/28/CE para 2020, a qual prevê uma redução de 20% no consumo final de energia através da eficiência energética, a incorporação de 20% de energia renovável no consumo energético global e a consequente redução em 20% da emissão de GEE, é apresentado um estudo ao nível de um parque fotovoltaico com a componente técnica e económica.