Opportunistic packet scheduling in body area networks

Significant research efforts are being devoted to Body Area Networks (BAN) due to their potential for revolutionizing healthcare practices. Energy-efficiency and communication reliability are critically important for these networks. In an experimental study with three different mote platforms, we show that changes in human body shadowing as well as those in the relative distance and orientation of nodes caused by the common human body movements can result in significant fluctuations in the received signal strength within a BAN. Furthermore, regular movements, such as walking, typically manifest in approximately periodic variations in signal strength. We present an algorithm that predicts the signal strength peaks and evaluate it on real-world data. We present the design of an opportunistic MAC protocol, named BANMAC, that takes advantage of the periodic fluctuations of the signal strength to achieve high reliability even with low transmission power.

Nano-CF: a Coordination Framework for macro-programming in wireless sensor networks

Wireless Sensor Networks (WSN) are being used for a number of applications involving infrastructure monitoring, building energy monitoring and industrial sensing. The difficulty of programming individual sensor nodes and the associated overhead have encouraged researchers to design macro-programming systems which can help program the network as a whole or as a combination of subnets. Most of the current macro-programming schemes do not support multiple users seamlessly deploying diverse applications on the same shared sensor network. As WSNs are becoming more common, it is important to provide such support, since it enables higher-level optimizations such as code reuse, energy savings, and traffic reduction. In this paper, we propose a macro-programming framework called Nano-CF, which, in addition to supporting in-network programming, allows multiple applications written by different programmers to be executed simultaneously on a sensor networking infrastructure. This framework enables the use of a common sensing infrastructure for a number of applications without the users having to worrying about the applications already deployed on the network. The framework also supports timing constraints and resource reservations using the Nano-RK operating system. Nano- CF is efficient at improving WSN performance by (a) combining multiple user programs, (b) aggregating packets for data delivery, and (c) satisfying timing and energy specifications using Rate- Harmonized Scheduling. Using representative applications, we demonstrate that Nano-CF achieves 90% reduction in Source Lines-of-Code (SLoC) and 50% energy savings from aggregated data delivery.

JamLab: augmenting sensornet testbeds with realistic and controlled interference generation

Radio interference drastically affects the performance of sensor-net communications, leading to packet loss and reduced energy-efficiency. As an increasing number of wireless devices operates on the same ISM frequencies, there is a strong need for understanding and debugging the performance of existing sensornet protocols under interference. Doing so requires a low-cost flexible testbed infrastructure that allows the repeatable generation of a wide range of interference patterns. Unfortunately, to date, existing sensornet testbeds lack such capabilities, and do not permit to study easily the coexistence problems between devices sharing the same frequencies. This paper addresses the current lack of such an infrastructure by using off-the-shelf sensor motes to record and playback interference patterns as well as to generate customizable and repeat-able interference in real-time. We propose and develop JamLab: a low-cost infrastructure to augment existing sensornet testbeds with accurate interference generation while limiting the overhead to a simple upload of the appropriate software. We explain how we tackle the hardware limitations and get an accurate measurement and regeneration of interference, and we experimentally evaluate the accuracy of JamLab with respect to time, space, and intensity. We further use JamLab to characterize the impact of interference on sensornet MAC protocols.

Improving quality-of-service in wireless sensor networks by mitigating “Hidden-Node Collisions”

Wireless sensor networks (WSNs) emerge as underlying infrastructures for new classes of large-scale networked embedded systems. However, WSNs system designers must fulfill the quality-of-service (QoS) requirements imposed by the applications (and users). Very harsh and dynamic physical environments and extremely limited energy/computing/memory/communication node resources are major obstacles for satisfying QoS metrics such as reliability, timeliness, and system lifetime. The limited communication range of WSN nodes, link asymmetry, and the characteristics of the physical environment lead to a major source of QoS degradation in WSNs-the ldquohidden node problem.rdquo In wireless contention-based medium access control (MAC) protocols, when two nodes that are not visible to each other transmit to a third node that is visible to the former, there will be a collision-called hidden-node or blind collision. This problem greatly impacts network throughput, energy-efficiency and message transfer delays, and the problem dramatically increases with the number of nodes. This paper proposes H-NAMe, a very simple yet extremely efficient hidden-node avoidance mechanism for WSNs. H-NAMe relies on a grouping strategy that splits each cluster of a WSN into disjoint groups of non-hidden nodes that scales to multiple clusters via a cluster grouping strategy that guarantees no interference between overlapping clusters. Importantly, H-NAMe is instantiated in IEEE 802.15.4/ZigBee, which currently are the most widespread communication technologies for WSNs, with only minor add-ons and ensuring backward compatibility with their protocols standards. H-NAMe was implemented and exhaustively tested using an experimental test-bed based on ldquooff-the-shelfrdquo technology, showing that it increases network throughput and transmission success probability up to twice the values obtained without H-NAMe. H-NAMe effectiveness was also demonstrated in a target tracking application with mobile robots - over a WSN deployment.

Sistemas de arrefecimento de instalações frigoríficas utilizando três agentes frigoríficos

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

H-NAMe: specifying, implementing and testing a hidden-node avoidance mechanism for wireless sensor networks

The hidden-node problem has been shown to be a major source of Quality-of-Service (QoS) degradation in Wireless Sensor Networks (WSNs) due to factors such as the limited communication range of sensor nodes, link asymmetry and the characteristics of the physical environment. In wireless contention-based Medium Access Control protocols, if two nodes that are not visible to each other transmit to a third node that is visible to the formers, there will be a collision – usually called hidden-node or blind collision. This problem greatly affects network throughput, energy-efficiency and message transfer delays, which might be particularly dramatic in large-scale WSNs. This technical report tackles the hidden-node problem in WSNs and proposes HNAMe, a simple yet efficient distributed mechanism to overcome it. H-NAMe relies on a grouping strategy that splits each cluster of a WSN into disjoint groups of non-hidden nodes and then scales to multiple clusters via a cluster grouping strategy that guarantees no transmission interference between overlapping clusters. We also show that the H-NAMe mechanism can be easily applied to the IEEE 802.15.4/ZigBee protocols with only minor add-ons and ensuring backward compatibility with the standard specifications. We demonstrate the feasibility of H-NAMe via an experimental test-bed, showing that it increases network throughput and transmission success probability up to twice the values obtained without H-NAMe. We believe that the results in this technical report will be quite useful in efficiently enabling IEEE 802.15.4/ZigBee as a WSN protocol.

H-NAMe: a hidden-node avoidance mechanism for wireless sensor networks

The hidden-node problem has been shown to be a major source of Quality-of-Service (QoS) degradation in Wireless Sensor Networks (WSNs) due to factors such as the limited communication range of sensor nodes, link asymmetry and the characteristics of the physical environment. In wireless contention-based Medium Access Control protocols, if two nodes that are not visible to each other transmit to a third node that is visible to the formers, there will be a collision – usually called hidden-node or blind collision. This problem greatly affects network throughput, energy-efficiency and message transfer delays, which might be particularly dramatic in large-scale WSNs. This paper tackles the hiddennode problem in WSNs and proposes H-NAMe, a simple yet efficient distributed mechanism to overcome it. H-NAMe relies on a grouping strategy that splits each cluster of a WSN into disjoint groups of non-hidden nodes and then scales to multiple clusters via a cluster grouping strategy that guarantees no transmission interference between overlapping clusters. We also show that the H-NAMe mechanism can be easily applied to the IEEE 802.15.4/ZigBee protocols with only minor add-ons and ensuring backward compatibility with the standard specifications. We demonstrate the feasibility of H-NAMe via an experimental test-bed, showing that it increases network throughput and transmission success probability up to twice the values obtained without H-NAMe. We believe that the results in this paper will be quite useful in efficiently enabling IEEE 802.15.4/ZigBee as a WSN protocol

Integração energética da unidade 2100 da Fábrica de Óleos Base da Refinaria de Matosinhos

Até 2020, a Europa terá de reduzir 20% das suas emissões de gases com efeito de estufa, 20% da produção de energia terá de ser proveniente de fontes renováveis e a eficiência energética deverá aumentar 20%. Estas são as metas apresentadas pela União Europeia, que ficaram conhecidas por 20/20/20 [1]. A Refinaria de Matosinhosé um complexo industrial que opera no sector da refinação e que apresenta preocupações ao nível da eficiência energética e dos aspectos ambientais subjacentes. No âmbito da racionalização energética das refinarias, a Galp Energia tem vindo a implementar um conjunto de medidas, adoptando as melhores tecnologias disponíveis com o objectivo de diminuir os consumos de energia, promover a eficiência energética e reduzir as emissões de dióxido de carbono. Para ir de encontro a estas medidas foi elaborado um estudo comparativo que permitiu à empresa definir as medidas consideradas prioritárias. Uma solução encontrada visa a execução de projectos que não requerem investimento e que têm acções imediatas, tais como o aumento da eficiência energética das fornalhas [1]. Este trabalho realizado na Galp Energia S.A. teve como objectivo principal a optimização energética da Unidade de Desalfatação do Propano da Fábrica de Óleos Base. Esta optimização baseou-se no aproveitamento energético da corrente de fundo da coluna de rectificação T2003C com uma potência calorífica de 2,79 Gcal/h. Após levantamento de todas as variáveis do processo relativas a esta unidade, especialmente a potência calorífica das correntes envolvidas chegou-se á conclusão que a fornalha H2101 poderá ser substituída por dois permutadores, reduzindo desta forma os consumos energéticos. Pois a corrente de fundo da coluna T2003 com uma potência calorífica 2,79 Gcal/h poderá permutar calor com a corrente da mistura asfalto com propano, fazendo com que esta atinja temperatura superior à obtida com a fornalha em funcionamento. A análise económica ao consumo e respectivo custo do fuelóleo na fornalha para o período de um ano foi realizada, sendo o seu custo de combustível de 611.396,00 €. O valor da aquisição dos permutadores é 86.355,97€, sendo rentável a alteração proposta neste projecto.

Eficiência energética em edifícios residenciais da cidade do Porto

O consumo de energia a nível mundial tem atingido valores históricos, devido ao crescimento da população mundial e ao aumento do consumo per capita. Nesta medida é extremamente importante existirem alternativas para que a redução do consumo de energia de todos os países seja uma realidade, evitando também as consequências ambientais, em particular as alterações climáticas, resultantes da utilização intensiva de combustíveis fósseis. Portugal, tal como outros países da União Europeia, tem que cumprir metas, pelo que é urgente encontrarem-se soluções de forma a diminuir o consumo de energia sem interferir com o nosso dia-a-dia. A cidade do Porto, tal como qualquer cidade, precisa de imensa energia desde os transportes até à indústria, passando pelos edifícios. Os edifícios, residenciais e de serviços, são responsáveis por mais de 50% de energia primária consumida no concelho do Porto, sendo que aos edifícios residenciais corresponde um consumo de 1.473 GWh/ano de energia primária, o que é um valor elevado. Numa primeira parte deste trabalho foi efetuado um levantamento de informação caracterizando a cidade do Porto relativamente ao seu edificado e consumos energéticos. Numa segunda parte propuseram-se medidas para reduzir o consumo para cada tipo de utilização de energia, nomeadamente preparação de refeições, AQS (água quente sanitária), aquecimento ambiente, frio (frigorífico, arcas, etc.), outros e iluminação. Para cada um destes tipos de utilização estudou-se, sempre que possível, a evolução do longo do tempo (2004 a 2012) e possíveis cenários de evolução para o futuro. Para além disso, também se estudou a evolução do mix de produção de energia elétrica de 2004 até 2012 e previsões da evolução do mix para o futuro. Nesta análise foi tido em conta o aspeto ambiental contabilizando-se, sempre que possível, as emissões de poluentes resultantes do consumo de energia. Por fim, efetuou-se uma avaliação técnica, ambiental e económica das medidas propostas. Pode dizer-se que a maioria das medidas propostas a serem implementadas conduziria a uma redução do consumo de energia e consequentemente a uma diminuição das emissões de poluentes, em particular dos gases com efeito de estufa (CO2). Em termos técnicos a maioria das medidas pode ser aplicada embora algumas delas envolvam custos de investimento significativos. Dada a conjuntura atual, seria importante obter o financiamento necessário para a implementação das medidas propostas e a divulgação de medidas já existentes, tais como os programas para AQS e janelas eficientes.

Levantamento de práticas ambientais e energéticas de PMEs em Portugal

Para qualquer empresa o seu maior objetivo passa pela produção de lucro e, atualmente, esse aspeto está diretamente relacionado com a sua capacidade de manter uma gestão que incorpore a responsabilidade social, ambiental e económica, em prol de um desenvolvimento global mais sustentável. As grandes empresas já iniciaram e continuam este processo de mudança, desenvolvendo medidas e estratégias neste sentido. Porém, apesar de representarem o grosso do tecido empresarial, as Pequenas e Médias Empresas só agora começam a dar os primeiros passos em direção a uma gestão mais ponderada ambiental e energeticamente. Com este trabalho pretende-se reunir informação relativa às Pequenas e Médias Empresas portuguesas de forma a compreender quais as principais áreas de atuação, as medidas que poderão ser implementadas e, consolidar o ponto de situação deste sector acerca dos vários temas ao nível do meio ambiente e da energia. Para tal, foram realizados levantamentos energéticos e aplicado um questionário acerca dos comportamentos e práticas ambientais. Verificou-se que apesar da grande maioria das empresas analisadas já terem ponderado a importância e as vantagens da eficiência energética, ainda são poucas as organizações que têm implementados planos, estratégias ou instrumentos para melhoria do seu desempenho ambiental e energético.

Auditorias de energia em instalações industriais do setor automóvel

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

Avaliação da eficiência energética e optimização de uma unidade de trigeração

Portugal é um país dependente da energia do exterior, devido à elevada percentagem de consumo de energia a partir de fontes primárias, como por exemplo o gasóleo. Para colmatar este cenário, têm vindo a criar-se incentivos para o uso de energias renováveis e para intensificação de medidas de eficiência energética, como os sistemas de cogeração, de forma a tornar os processos industriais nacionais mais autónomos e mais competitivos. O presente trabalho, centra-se na determinação do potencial térmico disponível na central de trigeração da empresa Monteiro, Ribas-Indústria, SA, com a finalidade de identificar a quantidade de energia não utilizada, com vista ao aproveitamento dessa mesma energia nos processos mais problemáticos da empresa. Verificou-se que a água líquida era a fonte de maior energia não aproveitada, representando cerca de 30%, relativamente à energia disponível na água de refrigeração que é de 1890 kW. Assim, perante este facto, fez-se um estudo em dois setores autónomos da empresa, o setor dos revestimentos e o setor dos componentes técnicos da borracha. Pretendeu-se propor medidas para melhorar os seus processos produtivos, aproveitando essa energia. Para o efeito foi projetado um permutador de calor de placas com necessidade energética de 131,4 MWh, no setor dos revestimentos e um permutador compacto no setor de produção de placas de borracha, necessitando de uma energia de 335,2 MWh. Face à energia disponível na central de trigeração, de 161,9 MWh, verifica-se que esta apenas poderá ser aproveitada no setor dos revestimentos. Para tornar este objetivo real, a empresa Monteiro, Ribas- Indústria, SA necessitaria de efetuar um investimento no total de 49.390€. Além disso, foi contabilizado o rendimento das caldeiras da central térmica e da cogeração, ambas pelo método direto, apresentando estas os valores de 72% e 42%, respectivamente.

Optimal brake specific fuel consumption trajectory for stand-alone variable speed Diesel Gen-Set

Energy efficiency plays an important role to the CO2 emissions reduction, combating climate change and improving the competitiveness of the economy. The problem presented here is related to the use of stand-alone diesel gen-sets and its high specific fuel consumptions when operates at low loads. The variable speed gen-set concept is explained as an energy-saving solution to improve this system efficiency. This paper details how an optimum fuel consumption trajectory based on experimentally Diesel engine power map is obtained.

Eficiência energética e controlo de iluminação em edifícios

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica Ramo de Energia

Dynamic cluster scheduling for cluster-tree WSNs

While Cluster-Tree network topologies look promising for WSN applications with timeliness and energy-efficiency requirements, we are yet to witness its adoption in commercial and academic solutions. One of the arguments that hinder the use of these topologies concerns the lack of flexibility in adapting to changes in the network, such as in traffic flows. This paper presents a solution to enable these networks with the ability to self-adapt their clusters’ duty-cycle and scheduling, to provide increased quality of service to multiple traffic flows. Importantly, our approach enables a network to change its cluster scheduling without requiring long inaccessibility times or the re-association of the nodes. We show how to apply our methodology to the case of IEEE 802.15.4/ZigBee cluster-tree WSNs without significant changes to the protocol. Finally, we analyze and demonstrate the validity of our methodology through a comprehensive simulation and experimental validation using commercially available technology on a Structural Health Monitoring application scenario.