Fault tolerant decentralised K-Means clustering for asynchronous large-scale networks

The K-Means algorithm for cluster analysis is one of the most influential and popular data mining methods. Its straightforward parallel formulation is well suited for distributed memory systems with reliable interconnection networks, such as massively parallel processors and clusters of workstations. However, in large-scale geographically distributed systems the straightforward parallel algorithm can be rendered useless by a single communication failure or high latency in communication paths. The lack of scalable and fault tolerant global communication and synchronisation methods in large-scale systems has hindered the adoption of the K-Means algorithm for applications in large networked systems such as wireless sensor networks, peer-to-peer systems and mobile ad hoc networks. This work proposes a fully distributed K-Means algorithm (EpidemicK-Means) which does not require global communication and is intrinsically fault tolerant. The proposed distributed K-Means algorithm provides a clustering solution which can approximate the solution of an ideal centralised algorithm over the aggregated data as closely as desired. A comparative performance analysis is carried out against the state of the art sampling methods and shows that the proposed method overcomes the limitations of the sampling-based approaches for skewed clusters distributions. The experimental analysis confirms that the proposed algorithm is very accurate and fault tolerant under unreliable network conditions (message loss and node failures) and is suitable for asynchronous networks of very large and extreme scale.

BodyCloud: a SaaS approach for community body sensor networks

Body Sensor Networks (BSNs) have been recently introduced for the remote monitoring of human activities in a broad range of application domains, such as health care, emergency management, fitness and behaviour surveillance. BSNs can be deployed in a community of people and can generate large amounts of contextual data that require a scalable approach for storage, processing and analysis. Cloud computing can provide a flexible storage and processing infrastructure to perform both online and offline analysis of data streams generated in BSNs. This paper proposes BodyCloud, a SaaS approach for community BSNs that supports the development and deployment of Cloud-assisted BSN applications. BodyCloud is a multi-tier application-level architecture that integrates a Cloud computing platform and BSN data streams middleware. BodyCloud provides programming abstractions that allow the rapid development of community BSN applications. This work describes the general architecture of the proposed approach and presents a case study for the real-time monitoring and analysis of cardiac data streams of many individuals.

Dispositivos de monitorização e controlo automático de factores climáticos em museus

As redes de comunicação sem fios são uma área de grande desenvolvimento. As tecnologias progridem e criam-se novas oportunidades de implementação de novos dispositivos nesta área. Neste tipo de redes, encontram-se as redes de sensores sem fios (WSN- Wireless Sensor Networks), que são constituídas por vários dispositivos (Nós Sensores) que colaboram entre si, para recolher e encaminhar informação sobre um determinado fenómeno físico até uma estação base. A um outro nível, a preservação das obras de arte é uma preocupação fundamental de todos os Museus. Existe a necessidade de conservar ao máximo as características genuínas de cada artefacto. Para tal, torna-se essencial uma monitorização e controlo de alguns factores ambientais, que podem danificar ou alterar as características dos materiais. Essa monitorização é realizada nos museus da Madeira, mas de uma forma manual e recorrendo a aparelhos que são dispendiosos e um pouco arcaicos. Assim sendo, tornou-se necessário encontrar uma solução, para a realização dessa tarefa de uma forma automática e contínua. As WSN oferecem uma resposta para estas necessidades, surgindo assim o projecto WISE-MUSE, que visa a monitorização ambiental para a conservação de obras de arte e artigos históricos, através de redes sem fios.Portanto, este projecto de Mestrado em Telecomunicações e Redes tem como área de acção a camada física da arquitectura do sistema WISE-MUSE. Neste sentido, desenvolveu-se um conjunto de dispositivos electrónicos, para monitorização e controlo de factores climáticos no Museu de arte contemporânea do Funchal. A ligação entre dispositivos e transmissão dos dados recolhidos foi assegurada através da implementação de uma rede sem fios. Ao nível dos nós sensores construídos, os desenvolvimentos mais importantes tiveram como meta a minimização de custos, consumo energético e dimensões dos mesmos. Além dos sensores, foram desenvolvidos outros componentes da rede, nomeadamente dispositivos routers e um dispositivo que permite o controlo automático da humidade.

Sistema de notificação e extensão da plataforma WISE-MUSE

A integração de sensores em estruturas, máquinas e ambientes, juntamente com uma eficiente recolha e envio de informação, trazem elevados benefícios para as sociedades actuais. Nesse sentido, com a crescente importância que as redes sem fios (WSN) assumem no contexto da qualidade de vida dos indivíduos, principalmente ao nível das comunicações, é fundamental procedermos à exploração das suas diversas potencialidades nos mais variados âmbitos. Deste modo, as WSN podem ser aplicadas em diversas áreas: saúde, monitorização ambiental, segurança de edifícios, indústria, monitorização de tráfego, monitorização de terramotos ou outras catástrofes naturais. Assim surge o projecto WISE-MUSE (Environmental Monitoring based on Wireless Sensor Networks for conservation of artwork and historical archives), que visa a implementação de um conjunto de soluções que permitem a monitorização contínua e automática de parâmetros ambientais (luminosidade, humidade, temperatura e CO2) através de WSN em museus. Este projecto de Mestrado em Engenharia Informática situa-se no âmbito deste projecto WISE-MUSE e tem como intuito: (i) a extensão da plataforma de monitorização de modo a recolher os dados das portas de emergência; (ii) a implementação de um sistema de notificações e alarmes via SMS e E-mail; e (iii) o desenvolvimento da plataforma Web WISE-MUSE, que permita a visualização remota dos dados dos sensores e das portas de uma forma integrada e em tempo real.

WISE-MANager: criação e gestão de sessões colaborativas em redes de sensores sem fio

As redes de sensores sem fios (WSN- WSN-Wireless Sensor Network) utilizam um grande número de dispositivos sem fios (sensores), que são de baixo custo e equipados com interfaces wireless. Utilizam um conjunto de sensores autónomos que colaboram entre si para efectuar a monitorização das condições ambientais, tais como: temperatura, oxigénio, luz, humidade, pressão, gases poluentes, entre outras. Estas redes podem operar durante largos períodos de tempo, sem intervenção humana, sendo que esse tempo depende do nível de bateria desses nós. De modo a que os gestores de um Museu possam gerir de forma mais adequada as obras de arte e arquivos históricos, surge o projecto WISE-MUSE – Environmental Monitoring based on Wireless Sensor Networks, que permite implementar soluções para a monitorização museológica, com a utilização de redes de sensores sem fios. Actualmente, a colaboração entre o utilizador e a WSN é muito ténue, sendo que apenas existe colaboração entre os nós sensores. De forma a aumentar esta colaboração, e no âmbito do projecto WISE-MUSE surge o CWSN – Collaborative Wireless Sensor Network Model, que define um modelo de colaboração na rede de sensores sem fios, permitindo a utilização de sessões colaborativas para a monitorização da rede. Com o intuito de obter o máximo rendimento da rede, é necessário definir qual o deployment a utilizar. O tipo de deployment de uma WSN é a forma como os nós são distribuídos pela rede. Em zonas longínquas, ou de difícil acesso, os nós são colocados de forma aleatória, por exemplo, caiem de um avião. Nos locais de fácil acesso, podem ser colocados no local exacto. Portanto, este projecto de Mestrado de Engenharia Informática apresenta duas contribuições principais: (i) um estudo de propagação no Museu da Baleia; e; (ii) o WISE-MANager, um sistema de gestão de sessões colaborativas. De forma a definir qual o deployment da rede a instalar no Museu da Baleia, será apresentado um estudo de propagação do sinal empírico, que determinou a melhor posição física dos nós, para que a rede tenha uma boa performance. O sistema WISE-MANager permite a criação, monitorização e gestão de sessões colaborativas numa WSN baseada no protocolo Zigbee. O intuito da utilização de sessões colaborativas é proporcionar uma melhor interacção entre o utilizador e a WSN, visto que o utilizador pode personalizar o tipo de monitorização a efectuar (por nó sensor, por fenómeno ou por intervalo de tempo), e interrogar à rede e aos seus componentes, aumentando assim a flexibilidade da WSN.A gestão de redes de sensores sem fios é muito importante para que o utilizador tenha controlo sobre a mesma ao saber quais os dispositivos da rede, assim como o seu nível de energia. Por tanto, através de WISE-MANager, os gestores do Museu serão capazes de analisar a rede, detectar eventuais problemas e obter parâmetros específicos.

Desenvolvimento de um software de comunicação sem fio aplicado à instrumentação de unidade de elevação de petróleo tipo Plunger Lift

This dissertation aims to develop a software applied to a communication system for a wireless sensor network (WSN) for tracking analog and digital variables and control valve of the gas flow in artificial oil s elevation units, Plunger Lift type. The reason for this implementation is due to the fact that, in the studied plant configuration, the sensors communicate with the PLC (Programmable and Logic Controller) by the cables and pipelines, making any changes in that system, such as changing the layout of it, as well as inconveniences that arise from the nature of the site, such as the vicinity s animals presence that tend to destroy the cables for interconnection of sensors to the PLC. For software development, was used communication polling method via SMAC protocol (Simple Medium Access ControlIEEE 802.15.4 standard) in the CodeWarrior environment to which generated a firmware, loaded into the WSN s transceivers, present in the kit MC13193-EVK, (all items described above are owners of Freescale Semiconductors Inc.). The network monitoring and parameterization used in its application, was developed in LabVIEW software from National Instruments. The results were obtained through the observation of the network s behavior of sensors proposal, focusing on aspects such as: indoor and outdoor quantity of packages received and lost, general aspects of reliability in data transmission, coexistence with other types of wireless networks and power consumption under different operating conditions. The results were considered satisfactory, which showed the software efficiency in this communication system

A Management Tool for the Replication of Operating Systems in Wireless Communication Networks

To simplify computer management, various administration systems based on wired connections adopt advanced techniques to manage software configuration. Nevertheless, the strong relation between hardware and software makes for an individualism of that management, besides penalizing computational mobility and ubiquity. All these issues lead to degradation of scalability, flexibility and the facility to install and maintain distributed applications. This article presents an environment for centralized wireless communication network management, named WSE-OS (Wireless Sharing Environment - Operating Systems): a model based on Virtual Desktop Infrastructure (VDI) which associates virtualization techniques and safe remote access systems to create a distributed architecture as a base for a managing system. WSE-OS is capable of accomplishing the replication of operating system images using wireless communication network, besides offering abstraction of hardware to its clients, making the management more flexible and independent of wired connections. Results obtained from this work indicate that WSE-OS allows disseminating, through a single software configuration, the execution of data related to operating system images in client computers. WSE-OS can also be used as a management tool for operating systems in a wireless network.

Network node with wireless and wired interfaces: Nios II processor and uClinux to development of a NCAP embedded (IEEE 1451.1) with two interfaces, wireless (IEEE 1451.5) and wired (IEEE p1451.2)

This paper presents a NCAP embedded on DE2 kit with Nios II processor and uClinux to development of a network gateway with two interfaces, wireless (ZigBee) and wired (RS232) based on IEEE 1451. Both the communications, wireless and wired, were developed to be point-to-point and working with the same protocols, based on IEEE 1451.0-2007. The tests were made using a microcomputer, which through of browser was possible access the web page stored in the DE2 kit and send commands of control and monitoring to both TIMs (WTIM and STIM). The system describes a different form of development of the NCAP node to be applied in different environments with wired or wireless in the same node. © 2011 IEEE.

Wireless mesh networks planning based on parameters of quality of service

The use of QoS parameters to evaluate the quality of service in a mesh network is essential mainly when providing multimedia services. This paper proposes an algorithm for planning wireless mesh networks in order to satisfy some QoS parameters, given a set of test points (TPs) and potential access points (APs). Examples of QoS parameters include: probability of packet loss and mean delay in responding to a request. The proposed algorithm uses a Mathematical Programming model to determine an adequate topology for the network and Monte Carlo simulation to verify whether the QoS parameters are being satisfied. The results obtained show that the proposed algorithm is able to find satisfactory solutions.

NodePM: A Remote Monitoring Alert System for Energy Consumption Using Probabilistic Techniques

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Dynamic services in mobile ad hoc networks

The increasing diffusion of wireless-enabled portable devices is pushing toward the design of novel service scenarios, promoting temporary and opportunistic interactions in infrastructure-less environments. Mobile Ad Hoc Networks (MANET) are the general model of these higly dynamic networks that can be specialized, depending on application cases, in more specific and refined models such as Vehicular Ad Hoc Networks and Wireless Sensor Networks. Two interesting deployment cases are of increasing relevance: resource diffusion among users equipped with portable devices, such as laptops, smart phones or PDAs in crowded areas (termed dense MANET) and dissemination/indexing of monitoring information collected in Vehicular Sensor Networks. The extreme dynamicity of these scenarios calls for novel distributed protocols and services facilitating application development. To this aim we have designed middleware solutions supporting these challenging tasks. REDMAN manages, retrieves, and disseminates replicas of software resources in dense MANET; it implements novel lightweight protocols to maintain a desired replication degree despite participants mobility, and efficiently perform resource retrieval. REDMAN exploits the high-density assumption to achieve scalability and limited network overhead. Sensed data gathering and distributed indexing in Vehicular Networks raise similar issues: we propose a specific middleware support, called MobEyes, exploiting node mobility to opportunistically diffuse data summaries among neighbor vehicles. MobEyes creates a low-cost opportunistic distributed index to query the distributed storage and to determine the location of needed information. Extensive validation and testing of REDMAN and MobEyes prove the effectiveness of our original solutions in limiting communication overhead while maintaining the required accuracy of replication degree and indexing completeness, and demonstrates the feasibility of the middleware approach.