Projecto de Controladores usando Redes Neuronais

Neste documento descreve-se o projeto desenvolvido na unidade curricular de Tese e Dissertação durante o 2º ano do Mestrado de Engenharia Eletrotécnica e de Computadores no ramo de Automação e Sistemas, no Departamento de Engenharia Eletrotécnica (DEE) do Instituto Superior de Engenharia do Porto (ISEP). O projeto escolhido teve como base o uso da tecnologia das redes neuronais para implementação em sistemas de controlo. Foi necessário primeiro realizar um estudo desta tecnologia, perceber como esta surgiu e como é estruturada. Por último, abordar alguns casos de estudo onde as redes neuronais foram aplicadas com sucesso. Relativamente à implementação, foram consideradas diferentes estruturas de controlo, e entre estas escolhidas a do sistema de controlo estabilizador e sistema de referência adaptativo. No entanto, como o objetivo deste trabalho é o estudo de desempenho quando aplicadas as redes neuronais, não se utilizam apenas estas como controlador. A análise exposta neste trabalho trata de perceber em que medida é que a introdução das redes neuronais melhora o controlo de um processo. Assim sendo, os sistemas de controlo utilizados devem conter pelo menos uma rede neuronal e um controlador PID. Os testes de desempenho são aplicados no controlo de um motor DC, sendo realizados através do recurso ao software MATLAB. As simulações efetuadas têm diferentes configurações de modo a tirar conclusões o mais gerais possível. Assim, os sistemas de controlo são simulados para dois tipos de entrada diferentes, e com ou sem a adição de ruído no sensor. Por fim, é efetuada uma análise das respostas de cada sistema implementado e calculados os índices de desempenho das mesmas.

Amostragem Adaptativa em Redes de Sensores

Uma nova área tecnológica está em crescente desenvolvimento. Esta área, denominada de internet das coisas, surge na necessidade de interligar vários objetos para uma melhoria a nível de serviços ou necessidades por parte dos utilizadores. Esta dissertação concentra-se numa área específica da tecnologia internet das coisas que é a sensorização. Esta rede de sensorização é implementada pelo projeto europeu denominado de Future Cities [1] onde se cria uma infraestrutura de investigação e validação de projetos e serviços inteligentes na cidade do Porto. O trabalho realizado nesta dissertação insere-se numa das plataformas existentes nessa rede de sensorização: a plataforma de sensores ambientais intitulada de UrbanSense. Estes sensores ambientais que estão incorporados em Data Collect Unit (DCU), também denominados por nós, medem variáveis ambientais tais como a temperatura, humidade, ozono e monóxido de carbono. No entanto, os nós têm recursos limitados em termos de energia, processamento e memória. Apesar das grandes evoluções a nível de armazenamento e de processamento, a nível energético, nomeadamente nas baterias, não existe ainda uma evolução tão notável, limitando a sua operacionalidade [2]. Esta tese foca-se, essencialmente, na melhoria do desempenho energético da rede de sensores UrbanSense. A principal contribuição é uma adaptação do protocolo de redes Ad Hoc OLSR (Optimized Link State Routing Protocol) para ser usado por nós alimentados a energia renovável, de forma a aumentar a vida útil dos nós da rede de sensorização. Com esta contribuição é possível obter um maior número de dados durante períodos de tempo mais longos, aproximadamente 10 horas relativamente às 7 horas anteriores, resultando numa maior recolha e envio dos mesmos com uma taxa superior, cerca de 500 KB/s. Existindo deste modo uma aproximação analítica dos vários parâmetros existentes na rede de sensorização. Contudo, o aumento do tempo de vida útil dos nós sensores com recurso à energia renovável, nomeadamente, energia solar, incrementa o seu peso e tamanho que limita a sua mobilidade. Com o referido acréscimo a determinar e a limitar a sua mobilidade exigindo, por isso, um planeamento prévio da sua localização. Numa primeira fase do trabalho analisou-se o consumo da DCU, visto serem estes a base na infraestrutura e comunicando entre si por WiFi ou 3G. Após uma análise dos protocolos de routing com iv suporte para parametrização energética, a escolha recaiu sobre o protocolo OLSR devido à maturidade e compatibilidade com o sistema atual da DCU, pois apesar de existirem outros protocolos, a implementação dos mesmos, não se encontram disponível como software aberto. Para a validação do trabalho realizado na presente dissertação, é realizado um ensaio prévio sem a energia renovável, para permitir caracterização de limitações do sistema. Com este ensaio, tornou-se possível verificar a compatibilidade entre os vários materiais e ajustamento de estratégias. Num segundo teste de validação é concretizado um ensaio real do sistema com 4 nós a comunicar, usando o protocolo com eficiência energética. O protocolo é avaliado em termos de aumento do tempo de vida útil do nó e da taxa de transferência. O desenvolvimento da análise e da adaptação do protocolo de rede Ad Hoc oferece uma maior longevidade em termos de tempo de vida útil, comparando ao que existe durante o processamento de envio de dados. Apesar do tempo de longevidade ser inferior, quando o parâmetro energético se encontra por omissão com o fator 3, a realização da adaptação do sistema conforme a energia, oferece uma taxa de transferência maior num período mais longo. Este é um fator favorável para a abertura de novos serviços de envio de dados em tempo real ou envio de ficheiros com um tamanho mais elevado.

Técnicas de reabilitação sem abertura de vala de redes de drenagem de águas residuais

O objectivo da presente dissertação consiste na apresentação de várias técnicas de reabilitação de redes de drenagem de águas residuais sem necessidade de abertura de vala. Para esse efeito efectuou-se um levantamento das técnicas de reabilitação de colectores sem abertura de vala actualmente existente no mercado, tendo-se identificado cinco técnicas diferentes, organizadas em dois grandes grupo: Técnicas de encamisamento (i.e., encamisamento pontual - «short liner» e contínuo com manga de fibras de feltro ou com manga de fibras de vidro) e técnicas de entubamento (i.e., entubamento simples - «sliplining» e com rebentamento por destruição da tubagem existente). As técnicas de reabilitação que foram desenvolvidas foram aplicadas a dois casos de estudo diferentes: um encamisamento contínuo com mangas de fibra de vidro (cura por radiação ultravioleta) para renovar o Emissário da Cadaveira, e um entubamento com rebentamento com tubos modelares pelo processo dinâmico, primeiro caso de entubamento realizado em Portugal para renovar um troço da rede de drenagem doméstica do novo Hospital de Cascais. A apresentação de casos de estudo foi fundamental para perceber o funcionamento das técnicas de reabilitação, e deu um aspecto técnico, essencial, a esta dissertação.

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.

Encaminhamento óptimo do tráfego em redes Triple Play

A Internet é responsável pelo surgimento de um novo paradigma de televisão – IPTV (Televisão sobre IP). Este serviço distingue-se de outros modelos de televisão, pois permite aos utilizadores um elevado grau de interactividade, com um controlo personalizado sobre os conteúdos a que pretende assistir. Possibilita ainda a oferta de um número ilimitado de canais, bem como o acesso a conteúdos de Vídeo on Demand (VoD). O IPTV apresenta diversas funcionalidades suportadas por uma arquitectura complexa e uma rede convergente que serve de integração a serviços de voz, dados e vídeo. A tecnologia IPTV explora ao máximo as características da Internet, com a utilização de mecanismos de Qualidade de Serviço. Surge ainda como uma revolução dentro do panorama televisivo, abrindo portas a novos investimentos por parte das empresas de telecomunicações. A Internet também permite fazer chamadas telefónicas sobre a rede IP. Este serviço é denominado VoIP (Voz sobre IP) e encontra-se em funcionamento já há algum tempo. Desta forma surge a oportunidade de poder oferecer ao consumidor final, um serviço que inclua os serviços de Internet, de VoIP e de IPTV denominado serviço Triple Play. O serviço Triple Play veio obrigar a revisão de toda a rede de transporte de forma a preparar a mesma para suportar este serviço de uma forma eficiente (QoS), resiliente (recuperação de falhas) e optimizado (Engenharia de tráfego). Em redes de telecomunicações, tanto a quebra de uma ligação como a congestão nas redes pode interferir nos serviços oferecidos aos consumidores finais. Mecanismos de sobrevivência são aplicados de forma a garantir a continuidade do serviço mesmo na ocorrência de uma falha. O objectivo desta dissertação é propor uma solução de uma arquitectura de rede capaz de suportar o serviço Triple Play de uma forma eficiente, resiliente e optimizada através de um encaminhamento óptimo ou quase óptimo. No âmbito deste trabalho, é realizada a análise do impacto das estratégias de encaminhamento que garantem a eficiência, sobrevivência e optimização das redes IP existentes, bem como é determinado o número limite de clientes permitido numa situação de pico de uma dada rede. Neste trabalho foram abordados os conceitos de Serviços Triple Play, Redes de Acesso, Redes Núcleo, Qualidade de Serviço, MPLS (Multi-Protocolo Label Switching), Engenharia de Tráfego e Recuperação de falhas. As conclusões obtidas das simulações efectuadas através do simulador de rede NS-2.33 (Network Simulator versão 2.33) serviram para propor a solução da arquitectura de uma rede capaz de suportar o serviço Triple Play de uma forma eficiente, resiliente e optimizada.

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.

Implementação de sistemas eólicos para redes de sensores sem fios

O trabalho tem por objetivo principal estudar a utilização de aerogeradores para microprodução de energia (menor que 1 W) de forma a poderem alimentar os nós das redes de sensores sem fios. Para tal, analisaram-se dois tipos de aerogeradores, os de eixo vertical e os de eixo horizontal, tendo-se efetuado simulações de CFD (Computational Fluid Dynamics) para verificar o desempenho das turbinas, de forma a determinar qual é o mais adequado. Foi realizado o projeto dos dois sistemas e analisou-se em particular as turbinas, os geradores e os conversores de potência de forma a avaliar o desempenho. Efetuaram-se simulações para determinar o comportamento esperado e posteriormente realizaram-se as medições experimentais num túnel de vento, tendo-se concluído que, para a dimensão dos aerogeradores desenvolvidos, o sistema vertical produz mais potência que o de eixo horizontal para velocidades de vento inferiores a 4,5 m/s e tem a grande vantagem de não ser significativamente afetado pela turbulência do vento. No entanto, o sistema de eixo horizontal é sempre mais eficiente para qualquer velocidade de vento, devido ao seu coeficiente de potência ser sempre superior ao do sistema vertical. Também se comparou o desempenho do conversor DC-DC redutor-elevador inversor com o elevador tendo-se determinado que o segundo apresenta melhor desempenho, na gama de valores de tensão utilizados no trabalho. Por fim implementaram-se os sistemas em ambiente real de forma a verificar como se comportam quando estão expostos aos elementos com a velocidade e a direção do vento a variar. Concluiu-se que mesmo com ventos fracos a potência produzida é suficiente para carregar uma bateria de 3,6 V (tensão nominal) e alimentar a carga, pelo que o uso de energia eólica é uma boa alternativa à energia fotovoltaica.

WI-BIO: redes de monitoramento de pacientes em ambientes de automação hospitalar utilizando o padrão IEEE 802.11

The monitoring of patients performed in hospitals is usually done either in a manual or semiautomated way, where the members of the healthcare team must constantly visit the patients to ascertain the health condition in which they are. The adoption of this procedure, however, compromises the quality of the monitoring conducted since the shortage of physical and human resources in hospitals tends to overwhelm members of the healthcare team, preventing them from moving to patients with adequate frequency. Given this, many existing works in the literature specify alternatives aimed at improving this monitoring through the use of wireless networks. In these works, the network is only intended for data traffic generated by medical sensors and there is no possibility of it being allocated for the transmission of data from applications present in existing user stations in the hospital. However, in the case of hospital automation environments, this aspect is a negative point, considering that the data generated in such applications can be directly related to the patient monitoring conducted. Thus, this thesis defines Wi-Bio as a communication protocol aimed at the establishment of IEEE 802.11 networks for patient monitoring, capable of enabling the harmonious coexistence among the traffic generated by medical sensors and user stations. The formal specification and verification of Wi-Bio were made through the design and analysis of Petri net models. Its validation was performed through simulations with the Network Simulator 2 (NS2) tool. The simulations of NS2 were designed to portray a real patient monitoring environment corresponding to a floor of the nursing wards sector of the University Hospital Onofre Lopes (HUOL), located at Natal, Rio Grande do Norte. Moreover, in order to verify the feasibility of Wi-Bio in terms of wireless networks standards prevailing in the market, the testing scenario was also simulated under a perspective in which the network elements used the HCCA access mechanism described in the IEEE 802.11e amendment. The results confirmed the validity of the designed Petri nets and showed that Wi-Bio, in addition to presenting a superior performance compared to HCCA on most items analyzed, was also able to promote efficient integration between the data generated by medical sensors and user applications on the same wireless network

Ferramentas para análise de ativos em redes industriais weirelessHART

Nowadays wireless communication has emerged as a tendency in industry environments. In part this interest is due to the ease of deployment and maintenance, which dispenses sophisticated designs and wired infrastructure (which in industrial environment often prohibitively expensive) besides enabling the addition of new applications when compared to their wired counterparts. Despite its high degree of applicability, an industrial wireless sensor network faces some challenges. One of the most challenging problems are its reliability, energy consumption and the environment interference. In this dissertation will discuss the problem of asset analysis in wireless industrial networks for the WirelessHART standard by implementing a monitoring system. The system allows to carry out various activities of independent asset management manufacturers, such as prediction of battery life, maintenance, reliability data, topology, and the possibility of creating new metrics from open and standardized development libraries. Through the implementation of this tool is intended to contribute to integration of wireless technologies in industrial environments.

Estudo de arranjos de antenas de microfita com Patch quase-fractal para comunicações sem fio

In this dissertation, are presented two microstrip antennas and two arrays for applications in wireless communication systems multiband. Initially, we studied an antenna and a linear array consisting of two elements identical to the patch antenna isolated. The shape of the patch used in both structures is based on fractal geometry and has multiband behavior. Next a new antenna is analyzed and a new array such as initial structure, but with the truncated ground plane, in order to obtain better bandwidths and return loss. For feeding the structures, we used microstrip transmission line. In the design of planar structures, was used HFSS software for the simulation. Next were built and measures electromagnetic parameters such as input impedance and return loss, using vector network analyzer in the telecommunications laboratory of Federal University of Rio Grande do Norte. The experimental results were compared with the simulated and showed improved return loss for the first array and also appeared a fourth band and increased directivity compared with the isolated antenna. The first two benefits are not commonly found in the literature. For structures with a truncated ground planes, the technique improved impedance matching, bandwidth and return loss when compared to the initial structure with filled ground planes. Moreover, these structures exhibited a better distribution of frequency, facilitating the adjustment of frequencies. Thus, it is expected that the planar structures presented in this study, particularly arrays may be suitable for specific applications in wireless communication systems when frequency multiband and wideband transmission signals are required.

Predição de séries temporais de parâmetros de redes HSPA - WCDMA

With the growing demand of data traffic in the networks of third generation (3G), the mobile operators have attempted to focus resources on infrastructure in places where it identifies a greater need. The channeling investments aim to maintain the quality of service especially in dense urban areas. WCDMA - HSPA parameters Rx Power, RSCP (Received Signal Code Power), Ec/Io (Energy per chip/Interference) and transmission rate (throughput) at the physical layer are analyzed. In this work the prediction of time series on HSPA network is performed. The collection of values of the parameters was performed on a fully operational network through a drive test in Natal - RN, a capital city of Brazil northeastern. The models used for prediction of time series were the Simple Exponential Smoothing, Holt, Holt Winters Additive and Holt Winters Multiplicative. The objective of the predictions of the series is to check which model will generate the best predictions of network parameters WCDMA - HSPA.

Modelagem do consumo de energia de redes de sensores sem fio usando SystemC-AMS e stateflow

This work aims at modeling power consumption at the nodes of a Wireless Sensor Network (WSN). For doing so, a finite state machine was implemented by means of SystemC-AMS and Stateflow modeling and simulation tools. In order to achieve this goal, communication data in a WSN were collected. Based on the collected data, a simulation environment for power consumption characterization, which aimed at describing the network operation, was developed. Other than performing power consumption simulation, this environment also takes into account a discharging model as to analyze the battery charge level at any given moment. Such analysis result in a graph illustrating the battery voltage variations as well as its state of charge (SOC). Finally, a case study of the WSN power consumption aims to analyze the acquisition mode and network data communication. With this analysis, it is possible make adjustments in node-sensors to reduce the total power consumption of the network.

Ferramenta para avaliação e inferência de parâmetros de redes industriais sem fio

Wireless sensor networks (WSN) have gained ground in the industrial environment, due to the possibility of connecting points of information that were inaccessible to wired networks. However, there are several challenges in the implementation and acceptance of this technology in the industrial environment, one of them the guaranteed availability of information, which can be influenced by various parameters, such as path stability and power consumption of the field device. As such, in this work was developed a tool to evaluate and infer parameters of wireless industrial networks based on the WirelessHART and ISA 100.11a protocols. The tool allows quantitative evaluation, qualitative evaluation and evaluation by inference during a given time of the operating network. The quantitative and qualitative evaluation are based on own definitions of parameters, such as the parameter of stability, or based on descriptive statistics, such as mean, standard deviation and box plots. In the evaluation by inference uses the intelligent technique artificial neural networks to infer some network parameters such as battery life. Finally, it displays the results of use the tool in different scenarios networks, as topologies star and mesh, in order to attest to the importance of tool in evaluation of the behavior of these networks, but also support possible changes or maintenance of the system.

Gestão de desempenho numa rede celular

A realização desta dissertação tem como principal objetivo a análise de indicadores chave de desempenho numa rede celular de terceira geração - Universal Mobile Telecommunication System (UMTS), bem como a aplicação de técnicas matemáticas de previsão como apoio ao respetivo planeamento e otimização. Para o efeito, foi inicialmente efetuado um estudo sobre a evolução das comunicações de uma forma generalista, até às redes de nova geração, abordando individualmente, as de voz, as de dados e as comunicações móveis, assim como, uma breve descrição das organizações envolvidas nestas mudanças. No seguimento do estudo inicial, dando enfoque à tecnologia UMTS, foram expostas as suas características, a sua estrutura e arquitetura. Foram ainda elaboradas, duas comparações, com base em diferentes parâmetros, uma com a tecnologia da geração anterior e outra, com a de última geração. Com base nos conhecimentos adquiridos em diferentes pesquisas, foram estudados, os indicadores chave de desempenho (KPIs), as técnicas de planeamento e otimização, apresentando propostas de prevenção e soluções para problemas existentes na rede.

Capacity forecasting for radio access networks

The mobile networks market (focus of this work) strategy is based on the consolidation of the installed structure and the optimization of the already existent resources. The increasingly competition and aggression of this market requires, to the mobile operators, a continuous maintenance and update of the networks in order to obtain the minimum number of fails and provide the best experience for its subscribers. In this context, this dissertation presents a study aiming to assist the mobile operators improving future network modifications. In overview, this dissertation compares several forecasting methods (mostly based on time series analysis) capable of support mobile operators with their network planning. Moreover, it presents several network indicators about the more common bottlenecks.