Wireless Sensor Networks for Infrastructure Monitoring, TR-611, 2010

A good system of preventive bridge maintenance enhances the ability of engineers to manage and monitor bridge conditions, and take proper action at the right time. Traditionally infrastructure inspection is performed via infrequent periodical visual inspection in the field. Wireless sensor technology provides an alternative cost-effective approach for constant monitoring of infrastructures. Scientific data-acquisition systems make reliable structural measurements, even in inaccessible and harsh environments by using wireless sensors. With advances in sensor technology and availability of low cost integrated circuits, a wireless monitoring sensor network has been considered to be the new generation technology for structural health monitoring. The main goal of this project was to implement a wireless sensor network for monitoring the behavior and integrity of highway bridges. At the core of the system is a low-cost, low power wireless strain sensor node whose hardware design is optimized for structural monitoring applications. The key components of the systems are the control unit, sensors, software and communication capability. The extensive information developed for each of these areas has been used to design the system. The performance and reliability of the proposed wireless monitoring system is validated on a 34 feet span composite beam in slab bridge in Black Hawk County, Iowa. The micro strain data is successfully extracted from output-only response collected by the wireless monitoring system. The energy efficiency of the system was investigated to estimate the battery lifetime of the wireless sensor nodes. This report also documents system design, the method used for data acquisition, and system validation and field testing. Recommendations on further implementation of wireless sensor networks for long term monitoring are provided.

Comportamento do NDVI obtido por sensor ótico ativo em cereais

O objetivo deste trabalho foi avaliar, com um sensor ótico ativo, o comportamento do índice de vegetação por diferença normalizada (NDVI - "normalized difference vegetation index"), nas culturas de trigo, triticale, cevada e milho. Cinco experimentos foram conduzidos no Paraná e São Paulo, com variação de classes de solo, doses e fontes de N, e variedades de trigo. As seguintes variáveis foram avaliadas: NDVI, teor de N foliar, matéria seca e produtividade das culturas. Análises de regressões foram realizadas entre as doses de N aplicadas e NDVI, teor de N foliar, matéria seca e produtividade. Análises de correlação entre as variáveis foram realizadas. O trigo, triticale e cevada apresentaram resposta às aplicações de doses crescentes de N, pelo aumento nas leituras do NDVI, no teor de N foliar e na produtividade. Medido pelo sensor ótico ativo utilizado, o NDVI apresenta alto potencial para manejo do N nas culturas do trigo, triticale e cevada, e baixo potencial para a cultura do milho. Há interferência das variedades de trigo nas leituras do sensor ótico ativo.

GacS sensor domains pertinent to the regulation of exoproduct formation and to the biocontrol potential of Pseudomonas fluorescens CHA0.

In the root-colonizing biocontrol strain CHA0 of Pseudomonas fluorescens, cell density-dependent synthesis of extracellular, plant-beneficial secondary metabolites and enzymes is positively regulated by the GacS/GacA two-component system. Mutational analysis of the GacS sensor kinase using improved single-copy vectors showed that inactivation of each of the three conserved phosphate acceptor sites caused an exoproduct null phenotype (GacS-), whereas deletion of the periplasmic loop domain had no significant effect on the expression of exoproduct genes. Strain CHA0 is known to synthesize a solvent-extractable extracellular signal that advances and enhances the expression of exoproduct genes during the transition from exponential to stationary growth phase when maximal exoproduct formation occurs. Mutational inactivation of either GacS or its cognate response regulator GacA abolished the strain's response to added signal. Deletion of the linker domain of the GacS sensor kinase caused signal-independent, strongly elevated expression of exoproduct genes at low cell densities. In contrast to the wild-type strain CHA0, the gacS linker mutant and a gacS null mutant were unable to protect tomato plants from crown and root rot caused by Fusarium oxysporum f. sp. radicis-lycopersici in a soil-less microcosm, indicating that, at least in this plant-pathogen system, there is no advantage in using a signal-independent biocontrol strain.

Avaliação de fluxos de calor e evapotranspiração pelo modelo SEBAL com uso de dados do sensor ASTER

O objetivo deste trabalho foi avaliar a eficiência da aplicação do modelo SEBAL em estimar os fluxos de energia em superfície e a evapotranspiração diária, numa extensa área de cultivo de arroz irrigado, no município de Paraíso do Sul, RS, tendo como parâmetros dados do sensor ASTER. As variáveis estudadas constituem importantes parâmetros do tempo e do clima em estudos agrometeorológicos e de racionalização no uso da água. As metodologias convencionais de estimativa desses parâmetros são pontuais e geralmente apresentam incertezas, que aumentam quando o interesse é o comportamento espacial desses parâmetros. Aplicou-se o algoritmo "Surface Energy Balance Algorithm for Land" (SEBAL), em uma imagem do sensor "Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer" (ASTER). As estimativas obtidas foram comparadas com medições em campo, realizadas por uma estação micrometeorológica localizada no interior da área de estudo. As estimativas mais precisas foram as de fluxo de calor sensível e de evapotranspiração diária, e a estimativa que apresentou maior erro foi a do fluxo de calor no solo. A metodologia empregada foi capaz de reproduzir os fluxos de energia em superfície de maneira satisfatória para estudos agrometeorológicos e de rendimento de culturas.

Validação de modelo para predição do potencial produtivo de trigo com sensor óptico ativo

O objetivo deste trabalho foi validar um modelo baseado no índice de vegetação por diferença normalizada (NDVI), para a predição da variabilidade espacial da biomassa acumulada na parte aérea e da produtividade de grãos de trigo. Foram realizadas leituras georreferenciadas de NDVI e biomassa, no final do afilhamento, e produtividade. O modelo proposto permitiu relacionar classes de variabilidade espacial do NDVI e da biomassa, com 81% de correspondência entre elas. Entretanto, a relação entre as classes de variabilidade espacial da produtividade e do NDVI foi menor, com 48% de correspondência.

Sensor óptico no auxílio à recomendação de adubação nitrogenada em cana-de-açúcar

O objetivo deste trabalho foi avaliar o potencial de um sensor óptico ativo terrestre como auxiliar na recomendação da aplicação de nitrogênio em taxa variável, na cultura da cana-de-açúcar. Foram instalados experimentos em delineamento de blocos ao acaso, com uso de diferentes doses de N (0, 50, 100, 150 e 200 kg ha-1). A resposta da cana-de-açúcar ao N foi avaliada por diferentes métodos - sensor óptico, clorofilômetro e teor foliar de N -, quando a altura média dos colmos atingiu 0,2, 0,4 e 0,6 m. Observou-se baixa correlação entre o teor foliar de N e a quantidade de clorofila nas folhas mensuradas por clorofilômetro. Portanto, essas características foram insuficientes para avaliar a eficiência do sensor óptico, uma vez que os valores mensurados se elevaram conforme o aumento da dose de N. A estratégia de recomendação com base na resposta da cultura, estimada pelo sensor óptico em faixa de cana-de-açúcar que recebeu a dose adequada de N, mostrou-se mais condizente com a produtividade obtida. O sensor óptico é ferramenta útil para auxiliar na recomendação de N para a cultura da cana-de-açúcar, ao se considerar a variabilidade espacial da sua demanda.

Imagens multipolarizadas do sensor Palsar/Alos na discriminação das fases fenológicas da cana‑de‑açúcar

O objetivo deste trabalho foi avaliar o potencial das imagens multipolarizadas do sensor‑radar Palsar/Alos em diferenciar as fases fenológicas da cana‑de‑açúcar. Valores digitais de quatro imagens do sensor, dos meses de fevereiro, maio, agosto e outubro de 2008, com polarizações HH (emissão e recebimento de onda na polarização horizontal) e HV (emissão de onda na polarização horizontal e recebimento na vertical), foram convertidos para coeficientes de retroespalhamento (σ°), para a análise de dados de cana‑de‑açúcar, cultivadas em talhões na região nordeste do Estado de São Paulo. Foram selecionadas três variedades, em diferentes estágios fenológicos: RB85‑5156, seis talhões; RB86‑7515, dez talhões; e RB92‑5345, dez talhões. As diferenças entre as fases fenológicas foram avaliadas para cada uma das variedades e, também, entre as variedades. A utilização simultânea ou não dos dados do sensor Palsar/Alos, obtidos em duas polarizações, foi capaz de discriminar as diferentes fases de crescimento da cana‑de‑açúcar, com exceção da fase de crescimento dos colmos e a fase de maturação, em que não foi observada diferença significativa.

Séries temporais de NDVI do sensor SPOT Vegetation e algoritmo SAM aplicados ao mapeamento de cana‑de‑açúcar

O objetivo deste trabalho foi avaliar o mapeamento de área de cana‑de‑açúcar por meio de série temporal, de seis anos de dados do índice de vegetação por diferença normalizada (NDVI), oriundos do sensor Vegetation, a bordo do satélite "système pour l'observation de la Terre" (SPOT). Três classes de cobertura do solo (cana‑de‑açúcar, pasto e floresta), do Estado de São Paulo, foram selecionadas como assinaturas espectro‑temporais de referência, que serviram como membros extremos ("endmembers") para classificação com o algoritmo "spectral angle mapper" (SAM). A partir desta classificação, o mapeamento da área de cana‑de‑açúcar foi realizado com uso de limiares na imagem-regra do SAM, gerados a partir dos valores dos espectros de referência. Os resultados mostram que o algoritmo SAM pode ser aplicado a séries de dados multitemporais de resolução moderada, o que permite eficiente mapeamento de alvo agrícola em escala mesorregional. Dados oficiais de áreas de cana‑de‑açúcar, para as microrregiões paulistas, apresentam boa correlação (r² = 0,8) com os dados obtidos pelo método avaliado. A aplicação do algoritmo SAM mostrou ser útil em análises temporais. As séries temporais de NDVI do sensor SPOT Vegetation podem ser utilizadas para mapeamento da área de cana‑de‑açúcar em baixa resolução.

Measurement with an automated oscillometric wrist device with position sensor leads to lower values than measurements obtained with an automated oscillometric arm device from the same manufacturer in elderly persons.

OBJECTIVE: Home blood pressure (BP) monitoring is recommended by several clinical guidelines and has been shown to be feasible in elderly persons. Wrist manometers have recently been proposed for such home BP measurement, but their accuracy has not been previously assessed in elderly patients. METHODS: Forty-eight participants (33 women and 15 men, mean age 81.3±8.0 years) had their BP measured with a wrist device with position sensor and an arm device in random order in a sitting position. RESULTS: Average BP measurements were consistently lower with the wrist than arm device for systolic BP (120.1±2.2 vs. 130.5±2.2 mmHg, P<0.001, means±SD) and diastolic BP (66.0±1.3 vs. 69.7±1.3 mmHg, P<0.001). Moreover, a 10 mmHg or greater difference between the arm and wrist device was observed in 54.2 and 18.8% of systolic and diastolic measures, respectively. CONCLUSION: Compared with the arm device, the wrist device with position sensor systematically underestimated systolic as well as diastolic BP. The magnitude of the difference is clinically significant and questions the use of the wrist device to monitor BP in elderly persons. This study points to the need to validate BP measuring devices in all age groups, including in elderly persons.

Sugarcane response to nitrogen rates, measured by a canopy reflectance sensor

Abstract:The objective of this work was to evaluate whether a canopy sensor is capable of estimating sugarcane response to N, as well as to propose strategies for handling the data generated by this device during the decision-making process for crop N fertilization. Four N rate-response experiments were carried out, with N rates varying from 0 to 240 kg ha-1. Two evaluations with the canopy sensor were performed when the plants reached average stalk height of 0.3 and 0.5 m. Only two experiments showed stalk yield response to N rates. The canopy sensor was able to identify the crop response to different N rates and the relationship of the nutrient with sugarcane yield. The response index values obtained from the canopy sensor readings were useful in assessing sugarcane response to the applied N rate. Canopy reflectance sensors can help to identify areas responsive to N fertilization and, therefore, improve sugarcane fertilizer management.

Simulació de xarxes WSN (Wireless Sensor Network) per a la detecció d'incendis

Trabajo de final de carrera enfocado a la simulación de una WSN (Wireless Sensors Networks) mediante el programa Contiki 2.7 y el SO Ubuntu. La idea global del proyecto es conseguir simular un entorno con nodos sensores y, a posteriori, comprobar su correcto funcionamiento en motas reales, comprobando los resultados obtenidos en ambos entornos. De esta manera se puede facilitar la puesta en marcha de este tipo de redes inalámbricas en una aplicación real.

Real-time monitoring of protein conformational changes using a nano-mechanical sensor.

Proteins can switch between different conformations in response to stimuli, such as pH or temperature variations, or to the binding of ligands. Such plasticity and its kinetics can have a crucial functional role, and their characterization has taken center stage in protein research. As an example, Topoisomerases are particularly interesting enzymes capable of managing tangled and supercoiled double-stranded DNA, thus facilitating many physiological processes. In this work, we describe the use of a cantilever-based nanomotion sensor to characterize the dynamics of human topoisomerase II (Topo II) enzymes and their response to different kinds of ligands, such as ATP, which enhance the conformational dynamics. The sensitivity and time resolution of this sensor allow determining quantitatively the correlation between the ATP concentration and the rate of Topo II conformational changes. Furthermore, we show how to rationalize the experimental results in a comprehensive model that takes into account both the physics of the cantilever and the dynamics of the ATPase cycle of the enzyme, shedding light on the kinetics of the process. Finally, we study the effect of aclarubicin, an anticancer drug, demonstrating that it affects directly the Topo II molecule inhibiting its conformational changes. These results pave the way to a new way of studying the intrinsic dynamics of proteins and of protein complexes allowing new applications ranging from fundamental proteomics to drug discovery and development and possibly to clinical practice.

Measuring gait using a ground laser range sensor

This paper describes a mesurement system designed to register the displacement of the legs using a two-dimensional laser range sensor with a scanning plane parallel to the ground and extract gait parameters. In the proposed methodology, the position of the legs is estimated by fitting two circles with the laser points that define their contour and the gait parameters are extracted applying a step-line model to the estimated displacement of the legs to reduce uncertainty in the determination of the stand and swing phase of the gait. Results obtained in a range up to 8 m shows that the systematic error in the location of one static leg is lower than 10 mm with and standard deviation lower than 8 mm; this deviation increases to 11 mm in the case of a moving leg. The proposed measurement system has been applied to estimate the gait parameters of six volunteers in a preliminary walking experiment.

Secure many-to-one communications in wireless sensor networks

Wireless Sensor Networks (WSN) are formed by nodes with limited computational and power resources. WSNs are finding an increasing number of applications, both civilian and military, most of which require security for the sensed data being collected by the base station from remote sensor nodes. In addition, when many sensor nodes transmit to the base station, the implosion problem arises. Providing security measures and implosion-resistance in a resource-limited environment is a real challenge. This article reviews the aggregation strategies proposed in the literature to handle the bandwidth and security problems related to many-to-one transmission in WSNs. Recent contributions to secure lossless many-to-one communication developed by the authors in the context of several Spanish-funded projects are surveyed. Ongoing work on the secure lossy many-to-one communication is also sketched.