Exploiting a prioritized MAC protocol to efficiently compute min and max in multihop networks

Consider a wireless sensor network (WSN) where a broadcast from a sensor node does not reach all sensor nodes in the network; such networks are often called multihop networks. Sensor nodes take sensor readings but individual sensor readings are not very important. It is important however to compute aggregated quantities of these sensor readings. The minimum and maximum of all sensor readings at an instant are often interesting because they indicate abnormal behavior, for example if the maximum temperature is very high then it may be that a fire has broken out. We propose an algorithm for computing the min or max of sensor reading in a multihop network. This algorithm has the particularly interesting property of having a time complexity that does not depend on the number of sensor nodes; only the network diameter and the range of the value domain of sensor readings matter.

Static-priority scheduling over wireless networks with multiple broadcast domains

We propose a wireless medium access control (MAC) protocol that provides static-priority scheduling of messages in a guaranteed collision-free manner. Our protocol supports multiple broadcast domains, resolves the wireless hidden terminal problem and allows for parallel transmissions across a mesh network. Arbitration of messages is achieved without the notion of a master coordinating node, global clock synchronization or out-of-band signaling. The protocol relies on bit-dominance similar to what is used in the CAN bus except that in order to operate on a wireless physical layer, nodes are not required to receive incoming bits while transmitting. The use of bit-dominance efficiently allows for a much larger number of priorities than would be possible using existing wireless solutions. A MAC protocol with these properties enables schedulability analysis of sporadic message streams in wireless multihop networks.

A simulation model for the IEEE 802.15.4 protocol: delay/throughput evaluation of the GTS mechanism

The IEEE 802.15.4 protocol has the ability to support time-sensitive Wireless Sensor Network (WSN) applications due to the Guaranteed Time Slot (GTS) Medium Access Control mechanism. Recently, several analytical and simulation models of the IEEE 802.15.4 protocol have been proposed. Nevertheless, currently available simulation models for this protocol are both inaccurate and incomplete, and in particular they do not support the GTS mechanism. In this paper, we propose an accurate OPNET simulation model, with focus on the implementation of the GTS mechanism. The motivation that has driven this work is the validation of the Network Calculus based analytical model of the GTS mechanism that has been previously proposed and to compare the performance evaluation of the protocol as given by the two alternative approaches. Therefore, in this paper we contribute an accurate OPNET model for the IEEE 802.15.4 protocol. Additionally, and probably more importantly, based on the simulation model we propose a novel methodology to tune the protocol parameters such that a better performance of the protocol can be guaranteed, both concerning maximizing the throughput of the allocated GTS as well as concerning minimizing frame delay.

Coding mode decision algorithm for binary descriptor coding

In visual sensor networks, local feature descriptors can be computed at the sensing nodes, which work collaboratively on the data obtained to make an efficient visual analysis. In fact, with a minimal amount of computational effort, the detection and extraction of local features, such as binary descriptors, can provide a reliable and compact image representation. In this paper, it is proposed to extract and code binary descriptors to meet the energy and bandwidth constraints at each sensing node. The major contribution is a binary descriptor coding technique that exploits the correlation using two different coding modes: Intra, which exploits the correlation between the elements that compose a descriptor; and Inter, which exploits the correlation between descriptors of the same image. The experimental results show bitrate savings up to 35% without any impact in the performance efficiency of the image retrieval task. © 2014 EURASIP.

Sistema de medição de temperatura corporal baseado em rede de sensores sem fios ANT

O presente projeto enquadra-se na área das redes de sensores sem fios, onde o seu crescente desenvolvimento permite aplicar esta tecnologia em diversas áreas, como por exemplo, na monitorização ambiental, utilização militar, domótica, saúde, entre outras. Uma rede de sensores sem fios consiste em diversos nós dispersos num campo de aplicação onde procedem à recolha de dados do ambiente em que estão inseridos, como o valor de uma temperatura, humidade ou outra grandeza física, e os transmitem para uma estação base onde podem ser monitorizados. Tendo a área da saúde uma importância significativa, este projeto focalizou-se na mesma. O projeto apresentado nesta dissertação teve como principal objetivo o desenvolvimento de uma rede de sensores sem fios, em que dois nós procedam à aquisição da temperatura corporal de uma pessoa em dois locais distintos, para posterior envio da mesma para os restantes nós da rede, onde será apresentada em estações de monitorização. Este projeto foi desenvolvido baseado num recente protocolo de redes sem fios, nomeadamente o protocolo ANTTM. Assim sendo, em primeiro lugar, serão abordados neste relatório os objetivos e a contextualização deste projeto. Em seguida, será apresentada uma comparação sobre alguns aspetos de algumas tecnologias de comunicações sem fios, nomeadamente o ZigBee, Bluetooth e ANT. Devido ao fato da tecnologia ANT ser a escolhida para o desenvolvimento deste projeto, será também apresentado um estudo mais detalhado sobre o mesmo. Depois, será apresentado o desenvolvimento e implementações efetuadas, e por último serão apresentadas as conclusões técnicas e pessoais que este projeto permitiu obter.

4Sensing - decentralized processing for participatory sensing data

Trabalho apresentado no âmbito do Mestrado em Engenharia Informática, como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Informática.

Aplicação de Internet of Things em casas inteligentes - Serviço Aplicacional

Engenharia Informática, Área de Especialização em Arquiteturas, Sistemas e Redes

DEWI - Wirelessly into the Future

Euromicro Conference on Digital System Design (DSD2015), EPDSD - 3rd European Projects in Digital System Design, Funchal, Portugal.

Fractional order describing functions

This paper addresses limit cycles and signal propagation in dynamical systems with backlash. The study follows the describing function (DF) method for approximate analysis of nonlinearities and generalizes it in the perspective of the fractional calculus. The concept of fractional order describing function (FDF) is illustrated and the results for several numerical experiments are analysed. FDF leads to a novel viewpoint for limit cycle signal propagation as time-space waves within system structure.

A framework for using real data with distributed low cost sensors

Currently, due to the widespread use of computers and the internet, students are trading libraries for the World Wide Web and laboratories with simulation programs. In most courses, simulators are made available to students and can be used to proof theoretical results or to test a developing hardware/product. Although this is an interesting solution: low cost, easy and fast way to perform some courses work, it has indeed major disadvantages. As everything is currently being done with/in a computer, the students are loosing the “feel” of the real values of the magnitudes. For instance in engineering studies, and mainly in the first years, students need to learn electronics, algorithmic, mathematics and physics. All of these areas can use numerical analysis software, simulation software or spreadsheets and in the majority of the cases data used is either simulated or random numbers, but real data could be used instead. For example, if a course uses numerical analysis software and needs a dataset, the students can learn to manipulate arrays. Also, when using the spreadsheets to build graphics, instead of using a random table, students could use a real dataset based, for instance, in the room temperature and its variation across the day. In this work we present a framework which uses a simple interface allowing it to be used by different courses where the computers are the teaching/learning process in order to give a more realistic feeling to students by using real data. A framework is proposed based on a set of low cost sensors for different physical magnitudes, e.g. temperature, light, wind speed, which are connected to a central server, that the students have access with an Ethernet protocol or are connected directly to the student computer/laptop. These sensors use the communication ports available such as: serial ports, parallel ports, Ethernet or Universal Serial Bus (USB). Since a central server is used, the students are encouraged to use sensor values results in their different courses and consequently in different types of software such as: numerical analysis tools, spreadsheets or simply inside any programming language when a dataset is needed. In order to do this, small pieces of hardware were developed containing at least one sensor using different types of computer communication. As long as the sensors are attached in a server connected to the internet, these tools can also be shared between different schools. This allows sensors that aren't available in a determined school to be used by getting the values from other places that are sharing them. Another remark is that students in the more advanced years and (theoretically) more know how, can use the courses that have some affinities with electronic development to build new sensor pieces and expand the framework further. The final solution provided is very interesting, low cost, simple to develop, allowing flexibility of resources by using the same materials in several courses bringing real world data into the students computer works.

Aplicação de Internet of Things em casas inteligentes: Serviços de Rede

O foco principal no estudo da Internet of Things tem sido a integração de dispositivos digitais com o mundo físico e vice-versa. Os dispositivos inteligentes têm vindo a ganhar uma forte presença na nossa vida diária e cada vez mais, tendem a integrar o sistema de uma casa, automatizando processos comuns como o controlo de temperatura ambiente ou mesmo a percentagem de luminosidade de uma divisão. A visão da IoT contempla um mundo interconectado, recolhendo informações de forma automática e possibilitando a comunicação entre dispositivos. Contudo, as tecnologias existentes para a criação de redes que albergam estes novos dispositivos carecem de padrões bem definidos, dificultando a interoperabilidade entre as diversas soluções existentes. Neste projeto são estudadas e aplicadas as tecnologias mais promissoras aplicáveis ao paradigma Internet of Things, com o objetivo de encontrar um conjunto de protocolos padrão para a implementação de sistemas de automação em casas inteligentes.1 Como objetivo final deste projeto, pretende-se criar uma rede de dispositivos com capacidades sensoriais que tenham a capacidade de comunicar com o mundo externo, permitindo o acesso à rede por qualquer tipo de utilizador. Com isso, espera-se caminhar para mais perto da padronização dos protocolos inerentes à IoT e habilitar interoperabilidade entre as mais diversas soluções. São apresentados e utilizados os protocolos que mais se adaptam ao tema escolhido, tentando simplificar a rede para que esta possa ser incluída em qualquer ambiente doméstico, recorrendo a hardware de custo reduzido. Os protocolos apresentados são o 6LoWPAN, utilizando o protocolo IEEE 802.15.4 como interface de rede juntamente com endereçamento IPv6. É também utilizado o protocolo CoAP na troca de mensagens entre os dispositivos.

Cross-Layer Admission Control to Enhance the Support of Real-Time Applications in WSN

Real-time monitoring applications may be used in a wireless sensor network (WSN) and may generate packet flows with strict quality of service requirements in terms of delay, jitter, or packet loss. When strict delays are imposed from source to destination, the packets must be delivered at the destination within an end-to-end delay (EED) hard limit in order to be considered useful. Since the WSN nodes are scarce both in processing and energy resources, it is desirable that they only transport useful data, as this contributes to enhance the overall network performance and to improve energy efficiency. In this paper, we propose a novel cross-layer admission control (CLAC) mechanism to enhance the network performance and increase energy efficiency of a WSN, by avoiding the transmission of potentially useless packets. The CLAC mechanism uses an estimation technique to preview packets EED, and decides to forward a packet only if it is expected to meet the EED deadline defined by the application, dropping it otherwise. The results obtained show that CLAC enhances the network performance by increasing the useful packet delivery ratio in high network loads and improves the energy efficiency in every network load.

Visualizing control systems performance: A fractional perspective

This article presents a novel method for visualizing the control systems behavior. The proposed scheme uses the tools of fractional calculus and computes the signals propagating within the system structure as a time/frequency-space wave. Linear and nonlinear closed-loop control systems are analyzed, for both the time and frequency responses, under the action of a reference step input signal. Several nonlinearities, namely, Coulomb friction and backlash, are also tested. The numerical experiments demonstrate the feasibility of the proposed methodology as a visualization tool and motivate its extension for other systems and classes of nonlinearities.

Efeito do Vento como Ação Dinâmica em Edifícios Altos

Este trabalho aborda uma série de conceitos base no que concerne à ação do vento sobre edifícios altos, começando por ser estabelecidas algumas considerações fundamentais acerca da circulação do vento na camada limite atmosférica bem como acerca da sua interação com as estruturas. É feita uma análise da metodologia proposta pelo Eurocódigo 1 para quantificação de tal ação sobre os edifícios, bem como é elaborada uma comparação da metodologia proposta por este com a metodologia ainda vigente na regulamentação portuguesa. Foram modelados computacionalmente, com recurso a um programa de cálculo estrutural automático, três edifícios altos com diferente secção geométrica em planta que servirão de caso de estudo. Para estes mesmos edifícios são aplicados os dois regulamentos considerados com vista à determinação de esforços e deslocamentos. Sendo os edifícios altos um género de estruturas capazes de ser excitadas dinamicamente perante a ação do vento, adota-se uma metodologia para quantificação desta ação de forma dinâmica na direção do escoamento. Assim, é obtida a resposta dinâmica ao longo do tempo em termos de deslocamentos e acelerações para o caso de estudo considerado e é feita uma comparação da resposta do edifício quadrangular sob a ação dinâmica do vento com a resposta estática regulamentar.

Localização de Precisão Usando Redes Sem Fios Enterradas

As Redes Sem Fios Enterradas (Wireless Underground Networks - WUN) são formadas por nós que comunicam entre si através de ligações sem fios e têm como meio de propagação o solo. Os sistemas de localização mais utilizados atualmente têm desvantagens ao nível da precisão e o custo. Nesta tese é proposta uma solução de localização de precisão que recorre à utilização de redes sem fios enterradas e um algoritmo de posicionamento baseados em Wi-Fi. O objetivo é estimar a localização de objetos, utilizando dispositivos Wi-Fi de baixo custo. Os resultados experimentais obtidos demonstram que o erro de localização é inferior a 0,40 m, e que esta solução é viável para, por exemplo, localizar jogadores num campo de futebol ou localizar um objeto num campo agrícola.