Technologies for urban and rural internet of things

Nowadays, application domains such as smart cities, agriculture or intelligent transportation, require communication technologies that combine long transmission ranges and energy efficiency to fulfill a set of capabilities and constraints to rely on. In addition, in recent years, the interest in Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) providing wireless connectivity in such scenarios is substantially increased thanks to their flexible deployment. The first chapters of this thesis deal with LoRaWAN and Narrowband-IoT (NB-IoT), which recent trends identify as the most promising Low Power Wide Area Networks technologies. While LoRaWAN is an open protocol that has gained a lot of interest thanks to its simplicity and energy efficiency, NB-IoT has been introduced from 3GPP as a radio access technology for massive machine-type communications inheriting legacy LTE characteristics. This thesis offers an overview of the two, comparing them in terms of selected performance indicators. In particular, LoRaWAN technology is assessed both via simulations and experiments, considering different network architectures and solutions to improve its performance (e.g., a new Adaptive Data Rate algorithm). NB-IoT is then introduced to identify which technology is more suitable depending on the application considered. The second part of the thesis introduces the use of UAVs as flying Base Stations, denoted as Unmanned Aerial Base Stations, (UABSs), which are considered as one of the key pillars of 6G to offer service for a number of applications. To this end, the performance of an NB-IoT network are assessed considering a UABS following predefined trajectories. Then, machine learning algorithms based on reinforcement learning and meta-learning are considered to optimize the trajectory as well as the radio resource management techniques the UABS may rely on in order to provide service considering both static (IoT sensors) and dynamic (vehicles) users. Finally, some experimental projects based on the technologies mentioned so far are presented.

Unmanned Aerial Wireless Networks For The Internet of Things

The need for data collection from sensors dispersed in the environment is an increasingly important problem in the sector of telecommunications. LoRaWAN is one of the most popular protocols for low-power wide-area networks (LPWAN) that is made to solve the aforementioned problem. The aim of this study is to test the behavior of the LoRaWAN protocol when the gateway that collects data is implemented on a flying platform or, more specifically, a drone. This will be pursued using performance data in terms of access to the channel of the sensor nodes connected to the flying gateway. The trajectory of the aircraft is precomputed using a given algorithm and sensor nodes’ clusterization. The expected results are as follows: simulate the LoraWAN system behavior including the trajectory of the drone and the deployment of nodes; compare and discuss the effectiveness of the LoRaWAN simulator by conducting on-field trials, where the trajectory design and the nodes’ deployment are the same.

Asynchronous Contact Tracing, Fighting Pandemics with Internet of Things

La pandemia da COVID-19 ha cambiato le nostre vite obbligandoci a vivere mesi di lockdown, distanziamento sociale ed uso delle mascherine. Il distanziamento sociale e l'uso delle mascherine, anche dopo la prima fase della pandemia, sono state le contromisure principali in quanto permettevano di limitare i contagi permettendo comunque alla gente di uscire di casa. Tutte queste contromisure hanno creato gravi danni all'economia del paese e alla vita personale dei cittadini. Dalla fase iniziale della pandemia si è capito che per gestirla al meglio era necessario effettuare il numero maggiore di tamponi possibili per monitorare al meglio la diffusione del virus ma ciò non era possibile in quanto non esistevano le tecnologie necessarie per testare milioni di persone al giorno. Da questa necessità sono nati i sistemi di Contact Tracing, sistemi che permettono di monitorare in modo anonimo e protetto i contatti sociali delle persone così da capire se sono entrate in contatto con persone infette dal COVID-19 e solo in quel caso effettuare un tampone in modo tale da verificare se sono stati contagiati o meno. Tutti i sistemi di Contact tracing sviluppati ad oggi hanno mostrato problemi relativi alla protezione dei dati, alla scarsa ed inefficace comunicazione e non hanno ridotto al meglio il numero di tamponi effettuati per rilevare realmente coloro che erano stati contagiati avendo quindi uno scarso utilizzo soprattutto a causa della poca fiducia degli utenti riguardo l'utilizzo dei loro dati ed al fatto che dovevano autodichiararsi positivi. Con questa tesi presenterò una nuova tecnica per effettuare il Contact Tracing che combina l'utilizzo del Group Testing all'utilizzo dell'IoT e delle reti per tracciare i contatti tra gli utenti ed il virus chiamata Asynchronous Contact Tracing. Mostrerò come è stato progettato e sviluppato e mostrerò le performance grazie a degli esperimenti reali.

Including context in a routing algorithm for the internet of things

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Informática

Smart platform towards batteries analysis based on internet-of-things

This paper presents a new approach of pre-defined profiles, based in different voltage and current values, to control the charging and discharging processes of batteries in order to assess their performance. This new approach was implemented in a prototype that was specially developed for such purpose. This prototype is a smart power electronics platform that allows to perform batteries analysis and to control the charging and discharging processes through a web application using pre-defined profiles. This platform was developed aiming to test different batteries technologies. Considering the relevance of the energy storage area based in batteries, especially for the batteries applied to electric mobility systems, this platform allows to perform controlled tests to the batteries, in order to analyze the batteries performance under different scenarios of operation. Besides the results obtained with the batteries, this work also intends to produce results that can contribute to an involvement in the strengthening of the Internet-of-Things.

Providing pervasive learning eXperiences by combining Internet of Things and e-Learning standard

Resumen basado en el de la publicaci??n

Integration of wireless sensor networks to the internet of things using a 6LoWPAN Gateway

The Internet of Things is a new paradigm where smart embedded devices and systems are connected to the Internet. In this context, Wireless Sensor Networks (WSN) are becoming an important alternative for sensing and actuating critical applications like industrial automation, remote patient monitoring and domotics. The IEEE 802.15.4 protocol has been adopted as a standard for WSN and the 6LoWPAN protocol has been proposed to overcome the challenges of integrating WSN and Internet protocols. In this paper, the mechanisms of header compression and fragmentation of IPv6 datagrams proposed in the 6LoWPAN standard were evaluated through field experiments using a gateway prototype and IEEE 802.15.4 nodes.

Middleware per Internet of Things: Java Embedded come caso di studio

Grazie al progresso dell'elettronica, ai giorni nostri, è possibile costruire dispositivi elettronici molto piccoli, che col passare del tempo lo sono sempre più. Questo ci permette di poter imboccare nuove strade nel mondo dell'informatica, sfruttando proprio questo fatto. Le dimensioni ridotte dei dispositivi in commercio, come sensori, attuatori, tag e tanto altro, sono particolarmente adatte a nuovi scenari applicativi. Internet of Things è una visione in cui Internet viene esteso alle cose. Facendo largo uso di dispositivi come sensori e tag è possibile realizzare sistemi intelligenti che possono avere riscontri positivi nella vita di tutti i giorni. Tracciare la posizione degli oggetti, monitorare pazienti da remoto, rilevare dati sull'ambiente per realizzare sistemi automatici (ad esempio regolare automaticamente la luce o la temperatura di una stanza) sono solo alcuni esempi. Internet of Things è la naturale evoluzione di Internet, ed è destinato a cambiare radicalmente la nostra vita futura, poichè la tecnologia sarà sempre più parte integrante della nostra vita, aumentando sempre più il nostro benessere e riducendo sempre più il numero delle azioni quotidiane da compiere. Sempre più sono middleware, le piattaforme e i sistemi operativi che nascono per cercare di eliminare o ridurre le problematiche relative allo sviluppo di sistemi di questo genere, e lo scopo di questa tesi è proprio sottolinearne l'importanza e di analizzare gli aspetti che questi middleware devono affrontare. La tesi è strutturata in questo modo: nel capitolo uno verrà fatta una introduzione a Internet of Things, analizzando alcuni degli innumerevoli scenari applicativi che ne derivano, insieme però alle inevitabili problematiche di tipo tecnologico e sociale. Nel secondo capitolo verranno illustrate le tecnologie abilitanti di Internet of Things, grazie alle quali è possibile realizzare sistemi intelligenti. Nel terzo capitolo verranno analizzati gli aspetti relativi ai middleware, sottolineandone l'importanza e prestando attenzione alle funzioni che devono svolgere, il tutto riportando anche degli esempi di middleware esistenti. Nel quarto capitolo verrà approfondito il middleware Java Embedded di Oracle.

Tuning remoto di filtering, pre-processing e buffering per scenari internet of things

La tesi propone una soluzione middleware per scenari in cui i sensori producono un numero elevato di dati che è necessario gestire ed elaborare attraverso operazioni di preprocessing, filtering e buffering al fine di migliorare l'efficienza di comunicazione e del consumo di banda nel rispetto di vincoli energetici e computazionali. E'possibile effettuare l'ottimizzazione di questi componenti attraverso operazioni di tuning remoto.

Vending Machines avanzate basate su principi di Physical Web e Internet of Things

La costante evoluzione tecnologica sta portando alla luce nuove possibilità, che un tempo non erano nemmeno immaginabili. Uno dei settori che si è rivoluzionato maggiormente negli ultimi anni è quello delle telecomunicazioni e questo ha portato sia a una riduzione dei costi per le connessioni a Internet, sia ad un aumento delle loro capacità e prestazioni; di conseguenza queste connessioni sono diventate più accessibili e affidabili permettendo alle persone e alle cose di accedere a Internet quasi ininterrottamente. Questo sviluppo sta portando innumerevoli benefici, ma come ciascuna innovazione tecnologica, tuttavia, i benefici si accompagnano a nuove sfide. In questo elaborato viene dapprima analizzato lo stato dell’arte, i benefici, le problematiche e gli attuali interessi da parte di alcuni dei maggiori player verso l’Internet of Things. Vengono poi prese in considerazione due problematiche: l'individuazione e l'interazione con gli oggetti connessi a Internet, portando come esempio l'utilizzo e la ricerca di una vending machine, un distributore automatico. Proponendo una soluzione, in primo luogo è stato effettuato lo sviluppo di un ecosistema che sfrutta le potenzialità del Physical Web, implementando ad hoc ogni componente, dall'emissione del beacon Eddystone-URL alla visualizzazione della pagina ad esso associata. In secondo luogo questa è stata creata un'applicazione Android che sfrutta l'altro tipo di frame offerto dalla piattaforma beacon di Google, l'Eddystone-UID. Queste due applicazioni vengono quindi analizzate e messe a confronto, per individuare i punti forti e le mancanze delle rispettive piattaforme.

INSPECTOR-PI: Progettazione e Sviluppo di un Sistema Mobile per il Controllo e il Monitoraggio basato su Tecnologie Embedded e Internet of Things

La nostra sfida è stata sviluppare un dispositivo che potesse riunire differenti funzionalità, dalla telepresenza alla visione dei dati on demand, e fosse in grado di portare innovazione nel panorama attuale. Abbiamo quindi deciso di creare un device che potesse svolgere attività d’ispezione e monitoraggio, concentrandoci nel corso dell’implementazione su alcuni possibili campi di utilizzo. Il sistema che abbiamo realizzato è open-source, modulare e dinamico, in grado di rispondere a esigenze diverse e facilmente riadattabile. Il prototipo progettato è in grado di comunicare con uno smartphone, grazie al quale viene guidato dall’utente primario, e di trasmettere in rete i dati rilevati dai diversi sensori integrati. Le informazioni generate sono gestibili attraverso una piattaforma online: il device utilizza il Cloud per storicizzare i dati, rendendoli potenzialmente accessibili a chiunque. Per la configurazione hardware abbiamo usato la kit-board Pi2Go e la piattaforma Raspberry Pi, alle quali abbiamo unito una videocamera e alcuni sensori di prossimità, temperatura e umidità e distanza. È nato così il prototipo InspectorPi, un veicolo telecomandato tramite dispositivo mobile in grado di esplorare ambienti ostili in cui vi sono difficoltà fisiche o ambientali alle quali sovvenire.

An Application-Layer RESTful Sleepy Nodes Implementation For Internet of Things Systems

Two of the main issues in wireless industrial Internet of Things applications are interoperability and network lifetime. In this work we extend a semantic interoperability platform and introduce an application-layer sleepy nodes protocol that can leverage on information stored in semantic repositories. We propose an integration platform for managing the sleep states and an application layer protocol based upon the Constraint Application Layer protocol. We evaluate our system on windowing based task allocation strategies, aiming for lower overall energy consumption that results in higher network lifetime.

Semantic middleware development for the Internet of Things

After the extraordinary spread of the World Wide Web during the last fifteen years, engineers and developers are pushing now the Internet to its next border. A new conception in computer science and networks communication has been burgeoning during roughly the last decade: a world where most of the computers of the future will be extremely downsized, to the point that they will look like dust at its most advanced prototypes. In this vision, every single element of our “real” world has an intelligent tag that carries all their relevant data, effectively mapping the “real” world into a “virtual” one, where all the electronically augmented objects are present, can interact among them and influence with their behaviour that of the other objects, or even the behaviour of a final human user. This is the vision of the Internet of the Future, which also draws ideas of several novel tendencies in computer science and networking, as pervasive computing and the Internet of Things. As it has happened before, materializing a new paradigm that changes the way entities interrelate in this new environment has proved to be a goal full of challenges in the way. Right now the situation is exciting, with a plethora of new developments, proposals and models sprouting every time, often in an uncoordinated, decentralised manner away from any standardization, resembling somehow the status quo of the first developments of advanced computer networking, back in the 60s and the 70s. Usually, a system designed after the Internet of the Future will consist of one or several final user devices attached to these final users, a network –often a Wireless Sensor Network- charged with the task of collecting data for the final user devices, and sometimes a base station sending the data for its further processing to less hardware-constrained computers. When implementing a system designed with the Internet of the Future as a pattern, issues, and more specifically, limitations, that must be faced are numerous: lack of standards for platforms and protocols, processing bottlenecks, low battery lifetime, etc. One of the main objectives of this project is presenting a functional model of how a system based on the paradigms linked to the Internet of the Future works, overcoming some of the difficulties that can be expected and showing a model for a middleware architecture specifically designed for a pervasive, ubiquitous system. This Final Degree Dissertation is divided into several parts. Beginning with an Introduction to the main topics and concepts of this new model, a State of the Art is offered so as to provide a technological background. After that, an example of a semantic and service-oriented middleware is shown; later, a system built by means of this semantic and service-oriented middleware, and other components, is developed, justifying its placement in a particular scenario, describing it and analysing the data obtained from it. Finally, the conclusions inferred from this system and future works that would be good to be tackled are mentioned as well. RESUMEN Tras el extraordinario desarrollo de la Web durante los últimos quince años, ingenieros y desarrolladores empujan Internet hacia su siguiente frontera. Una nueva concepción en la computación y la comunicación a través de las redes ha estado floreciendo durante la última década; un mundo donde la mayoría de los ordenadores del futuro serán extremadamente reducidas de tamaño, hasta el punto que parecerán polvo en sus más avanzado prototipos. En esta visión, cada uno de los elementos de nuestro mundo “real” tiene una etiqueta inteligente que porta sus datos relevantes, mapeando de manera efectiva el mundo “real” en uno “virtual”, donde todos los objetos electrónicamente aumentados están presentes, pueden interactuar entre ellos e influenciar con su comportamiento el de los otros, o incluso el comportamiento del usuario final humano. Ésta es la visión del Internet del Futuro, que también toma ideas de varias tendencias nuevas en las ciencias de la computación y las redes de ordenadores, como la computación omnipresente y el Internet de las Cosas. Como ha sucedido antes, materializar un nuevo paradigma que cambia la manera en que las entidades se interrelacionan en este nuevo entorno ha demostrado ser una meta llena de retos en el camino. Ahora mismo la situación es emocionante, con una plétora de nuevos desarrollos, propuestas y modelos brotando todo el rato, a menudo de una manera descoordinada y descentralizada lejos de cualquier estandarización, recordando de alguna manera el estado de cosas de los primeros desarrollos de redes de ordenadores avanzadas, allá por los años 60 y 70. Normalmente, un sistema diseñado con el Internet del futuro como modelo consistirá en uno o varios dispositivos para usuario final sujetos a estos usuarios finales, una red –a menudo, una red de sensores inalámbricos- encargada de recolectar datos para los dispositivos de usuario final, y a veces una estación base enviando los datos para su consiguiente procesado en ordenadores menos limitados en hardware. Al implementar un sistema diseñado con el Internet del futuro como patrón, los problemas, y más específicamente, las limitaciones que deben enfrentarse son numerosas: falta de estándares para plataformas y protocolos, cuellos de botella en el procesado, bajo tiempo de vida de las baterías, etc. Uno de los principales objetivos de este Proyecto Fin de Carrera es presentar un modelo funcional de cómo trabaja un sistema basado en los paradigmas relacionados al Internet del futuro, superando algunas de las dificultades que pueden esperarse y mostrando un modelo de una arquitectura middleware específicamente diseñado para un sistema omnipresente y ubicuo. Este Proyecto Fin de Carrera está dividido en varias partes. Empezando por una introducción a los principales temas y conceptos de este modelo, un estado del arte es ofrecido para proveer un trasfondo tecnológico. Después de eso, se muestra un ejemplo de middleware semántico orientado a servicios; después, se desarrolla un sistema construido por medio de este middleware semántico orientado a servicios, justificando su localización en un escenario particular, describiéndolo y analizando los datos obtenidos de él. Finalmente, las conclusiones extraídas de este sistema y las futuras tareas que sería bueno tratar también son mencionadas.