Exploração da Point Cloud Library aplicada à percepção em sistemas autónomos

A navegação e a interpretação do meio envolvente por veículos autónomos em ambientes não estruturados continua a ser um grande desafio na actualidade. Sebastian Thrun, descreve em [Thr02], que o problema do mapeamento em sistemas robóticos é o da aquisição de um modelo espacial do meio envolvente do robô. Neste contexto, a integração de sistemas sensoriais em plataformas robóticas, que permitam a construção de mapas do mundo que as rodeia é de extrema importância. A informação recolhida desses dados pode ser interpretada, tendo aplicabilidade em tarefas de localização, navegação e manipulação de objectos. Até à bem pouco tempo, a generalidade dos sistemas robóticos que realizavam tarefas de mapeamento ou Simultaneous Localization And Mapping (SLAM), utilizavam dispositivos do tipo laser rangefinders e câmaras stereo. Estes equipamentos, para além de serem dispendiosos, fornecem apenas informação bidimensional, recolhidas através de cortes transversais 2D, no caso dos rangefinders. O paradigma deste tipo de tecnologia mudou consideravelmente, com o lançamento no mercado de câmaras RGB-D, como a desenvolvida pela PrimeSense TM e o subsequente lançamento da Kinect, pela Microsoft R para a Xbox 360 no final de 2010. A qualidade do sensor de profundidade, dada a natureza de baixo custo e a sua capacidade de aquisição de dados em tempo real, é incontornável, fazendo com que o sensor se tornasse instantaneamente popular entre pesquisadores e entusiastas. Este avanço tecnológico deu origem a várias ferramentas de desenvolvimento e interacção humana com este tipo de sensor, como por exemplo a Point Cloud Library [RC11] (PCL). Esta ferramenta tem como objectivo fornecer suporte para todos os blocos de construção comuns que uma aplicação 3D necessita, dando especial ênfase ao processamento de nuvens de pontos de n dimensões adquiridas a partir de câmaras RGB-D, bem como scanners laser, câmaras Time-of-Flight ou câmaras stereo. Neste contexto, é realizada nesta dissertação, a avaliação e comparação de alguns dos módulos e métodos constituintes da biblioteca PCL, para a resolução de problemas inerentes à construção e interpretação de mapas, em ambientes indoor não estruturados, utilizando os dados provenientes da Kinect. A partir desta avaliação, é proposta uma arquitectura de sistema que sistematiza o registo de nuvens de pontos, correspondentes a vistas parciais do mundo, num modelo global consistente. Os resultados da avaliação realizada à biblioteca PCL atestam a sua viabilidade, para a resolução dos problemas propostos. Prova da sua viabilidade, são os resultados práticos obtidos, da implementação da arquitectura de sistema proposta, que apresenta resultados de desempenho interessantes, como também boas perspectivas de integração deste tipo de conceitos e tecnologia em plataformas robóticas desenvolvidas no âmbito de projectos do Laboratório de Sistemas Autónomos (LSA).

Relatório de estágio em gabinete de engenharia na componente de climatização

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica com Especialização em Energia, Climatização e Refrigeração

Lower protocol layers for wireless sensor networks: a survey

Wireless Sensor Networks (WSNs) have been attracting increasing interests in the development of a new generation of embedded systems with great potential for many applications such as surveillance, environment monitoring, emergency medical response and home automation. However, the communication paradigms in Wireless Sensor Networks differ from the ones attributed to traditional wireless networks, triggering the need for new communication protocols and mechanisms. In this Technical Report, we present a survey on communication protocols for WSNs with a particular emphasis on the lower protocol layers. We give a particular focus to the MAC (Medium Access Control) sub-layer, since it has a prominent influence on some relevant requirements that must be satisfied by WSN protocols, such as energy consumption, time performance and scalability. We overview some relevant MAC protocol solutions and discuss how they tackle the trade-off between the referred requirements.

Qualidade do ar interior em Escolas Básicas de 1.º ciclo: QAI em ambientes escolares: estudo orientado para as Escolas Básicas de 1.º ciclo de um agrupamento escolar

A Qualidade do Ar Interior (QAI) é um fator de grande preocupação. A importância de manter um ambiente salubre é mais acentuada em estabelecimentos escolares (EE), tendo em conta, que no interior destes permanecem crianças durante um elevado período de tempo. É fundamental garantir uma boa QAI nos edifícios escolares, de forma a salvaguardar a saúde, o bem-estar e o conforto dos ocupantes, bem como, não comprometer o seu desempenho escolar. Recentemente, foram construídos novos edifícios escolares e alguns dos existentes foram alvo de obras de remodelação. Contudo, a crescente tendência em construir edifícios cada vez mais herméticos, com vista à diminuição dos gastos de energia, origina problemas como a reduzida ventilação dos espaços. Vários estudos têm demonstrado a influência das atividades de limpeza na QAI. No entanto, verifica-se que na maioria das escolas não existem ainda procedimentos de limpeza padronizados. A falta de instruções de trabalho e a ausência de formação às assistentes operacionais pode comprometer a eficácia dos procedimentos de higienização, o que poderá ter influência na QAI dos espaços. Este estudo teve como principal objetivo avaliar a QAI em escolas básicas de 1.º ciclo. Foram contemplados no estudo fatores como a tipologia do edifício, a ocupação das salas e as atividades de limpeza. Procedeu-se à caracterização dos EE e à monitorização de parâmetros ambientais, como a temperatura do ar, a humidade relativa, a velocidade do ar, o dióxido de carbono, o monóxido de carbono, as partículas, os microrganismos mesófilos totais e os fungos. Estes parâmetros foram avaliados nas salas com ocupação, sem ocupação e durante a implementação de um plano de higienização. A ventilação inadequada parece ser o fator que mais condiciona a QAI das salas de aula avaliadas. Registaram-se elevadas concentrações de dióxido de carbono e de microrganismos mesófilos totais, que parecem estar relacionados com a permanência dos ocupantes nos locais e com a falta de ventilação adequada dos espaços. A concentração de dióxido de carbono foi mais elevada em edifícios recentes. Os picos elevados na concentração de partículas parecem estar associados com as atividades dos ocupantes. Obtiveram-se concentrações menores de fungos e de microrganismos mesófilos totais ao longo da implementação do plano de higienização, o que poderá significar que os procedimentos de limpeza contribuem para reduzir os níveis de contaminação dos espaços interiores. No entanto, tendo em conta, que a concentração de microrganismos mesófilos totais permaneceu elevada, as operações de limpeza parecem não ser suficientes para garantir uma boa QAI. O aumento da ventilação dos espaços poderia contribuir significativamente para a melhoria da QAI dos espaços avaliados.

Avaliação da exposição a fungos e partículas em explorações avícolas e suinícolas: estudo

O projeto “Avaliação da Exposição a Fungos e Partículas em Explorações Avícolas e Suinícolas” contemplou um elevado número de colheitas ambientais e biológicas e respectivo processamento laboratorial, sendo apenas possível a sua concretização graças ao financiamento disponibilizado pela Autoridade para as Condições de Trabalho. Foi realizado um estudo transversal para avaliar a contaminação causada por fungos e partículas em 7 explorações avícolas e 7 explorações suinícolas. No que concerne à monitorização biológica, foram medidos os parâmetros espirométricos, utilizando o espirómetro MK8 Microlab, avaliada a existência de sintomas clínicos associados com a asma e outras doenças alérgicas, através de questionário adaptado European Community Respiratory Health Survey e, ainda, avaliada a sensibilização aos agentes fúngicos (IgE). Foram ainda adicionados dois objetivos ao estudo, designadamente: aferir a existência de três espécies/estirpes potencialmente patogénicas/toxinogénicas com recurso à biologia molecular e avaliar a exposição dos trabalhadores à micotoxina aflatoxina B1 por recurso a indicador biológico de exposição. Foram colhidas 27 amostras de ar de 25 litros nas explorações avícolas e 56 de 50 litros nas explorações suinícolas através do método de impacto. As colheitas de ar e a medição da concentração das partículas foram realizadas no interior e no exterior dos pavilhões, sendo este último considerado como local de referência. Simultaneamente, a temperatura e a humidade relativa também foram registadas. As colheitas das superfícies foram realizadas através da técnica de zaragatoa, tendo sido utilizado um quadrado de metal inoxidável de 10 cm de lado, de acordo com a International Standard ISO 18593 – 2004. As zaragatoas obtidas (20 das explorações avícolas e 48 das explorações suinícolas) foram inoculadas em malte de extract agar (2%) com cloranfenicol (0,05 g/L). Além das colheitas de ar e de superfícies, foram também obtidas colheitas da cama das explorações avícolas (7 novas e 14 usadas) e da cobertura do pavimento das explorações suinícolas (3 novas e 4 usadas) e embaladas em sacos esterilizados. Cada amostra foi diluída e inoculada em placas contendo malte extract agar. Todas as amostras foram incubadas a 27,5ºC durante 5 a 7 dias e obtidos resultados quantitativos (UFC/m3; UFC/m2; UFC/g) e qualitativos com a identificação das espécies fúngicas. Para a aplicação dos métodos de biologia molecular foram realizadas colheitas de ar de 300 litros utilizando o método de impinger com a velocidade de recolha de 300 L/min. A identificação molecular de três espécies potencialmente patogénicas e/ou toxinogénicas (Aspergillus flavus, Aspergillus fumigatus e Stachybotrys chartarum) foram obtidas por PCR em tempo real (PCR TR) utilizando o Rotor-Gene 6000 qPCR Detection System. As medições de partículas foram realizadas por recurso a equipamento de leitura direta (modelo Lighthouse, 2016 IAQ). Este recurso permitiu medir a concentração (mg/m3) de partículas em 5 dimensões distintas (PM 0.5; PM 1.0; PM 2.5; PM 5.0; PM10). Nas explorações avícolas, 28 espécies/géneros de fungos foram isolados no ar, tendo Aspergillus versicolor sido a espécie mais frequente (20.9%), seguida por Scopulariopsis brevicaulis (17.0%) e Penicillium sp. (14.1%). Entre o género Aspergillus, Aspergillus flavus apresentou o maior número de esporos (>2000 UFC/m3). Em relação às superfícies, A. versicolor foi detetada em maior número (>3 × 10−2 UFC/m2). Na cama nova, Penicillium foi o género mais frequente (59,9%), seguido por Alternaria (17,8%), Cladosporium (7,1%) e Aspergillus (5,7%). Na cama usada, Penicillium sp. foi o mais frequente (42,3%), seguido por Scopulariopsis sp. (38,3%), Trichosporon sp. (8,8%) e Aspergillus sp. (5,5%). Em relação à contaminação por partículas, as partículas com maior dimensão foram detectadas em maiores concentrações, designadamente as PM5.0 (partículas com a dimensão de 5.0 bm ou menos) e PM10 (partículas com a dimensão de 10 bm ou menos). Neste setting a prevalência da alteração ventilatória obstrutiva foi superior nos indivíduos com maior tempo de exposição (31,7%) independentemente de serem fumadores (17,1%) ou não fumadores (14,6%). Relativamente à avaliação do IgE específico, foi apenas realizado em trabalhadores das explorações avícolas (14 mulheres e 33 homens), não tendo sido encontrada associação positiva (p<0.05%) entre a contaminação fúngica e a sensibilização a antigénios fúngicos. No caso das explorações suinícolas, Aspergillus versicolor foi a espécie mais frequente (20,9%), seguida por Scopulariopsis brevicaulis (17,0%) e Penicillium sp. (14,1%). No género Aspergillus, A. versicolor apresentou o maior isolamento no ar (>2000 UFC/m3) e a maior prevalência (41,9%), seguida por A. flavus e A. fumigatus (8,1%). Em relação às superfícies analisadas, A. versicolor foi detetada em maior número (>3 ×10−2 UFC/m2). No caso da cobertura do pavimento das explorações suinícolas, o género Thicoderma foi o mais frequente na cobertura nova (28,0%) seguida por A. versicolor e Acremonium sp. (14,0%). O género Mucor foi o mais frequente na cobertura usada (25,1%), seguido por Trichoderma sp. (18,3%) e Acremonium sp. (11,2%). Relativamente às partículas, foram evidenciados também valores mais elevados na dimensão PM5 e, predominantes nas PM10. Neste contexto, apenas 4 participantes (22,2%) apresentaram uma alteração ventilatória obstrutiva. Destes, as obstruções mais graves encontraram-se nos que também apresentavam maior tempo de exposição. A prevalência de asma na amostra de trabalhadores em estudo, pertencentes aos 2 contextos em estudo, foi de 8,75%, tendo-se verificado também uma prevalência elevada de sintomatologia respiratória em profissionais não asmáticos. Em relação à utilização complementar dos métodos convencionais e moleculares, é recomendável que a avaliação da contaminação fúngica nestes settings, e, consequentemente, a exposição profissional a fungos, seja suportada pelas duas metodologias e, ainda, que ocorre exposição ocupacional à micotoxina aflatoxina B1 em ambos os contextos profissionais. Face aos resultados obtidos, é importante salientar que os settings alvo de estudo carecem de uma intervenção integrada em Saúde Ocupacional no âmbito da vigilância ambiental e da vigilância da saúde, com o objetivo de diminuir a exposição aos dois factores de risco estudados (fungos e partículas).

Ventilação mista em edifícios de habitação

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil na Área de Especialização de Edificações

Use of negative information in positioning and tracking algorithms

To avoid additional hardware deployment, indoor localization systems have to be designed in such a way that they rely on existing infrastructure only. Besides the processing of measurements between nodes, localization procedure can include the information of all available environment information. In order to enhance the performance of Wi-Fi based localization systems, the innovative solution presented in this paper considers also the negative information. An indoor tracking method inspired by Kalman filtering is also proposed.

Particulate matter distribution in selected Portuguese archives: a preliminary study

Particulate matter (PM) can have a significant impact on human health and on artifacts stored and kept inside museums and archives. To the author's knowledge, its immediate and/or longterm concentrations and distribution on Portuguese archives has never been determined. Four Portuguese archives (with and without HVAC/air filtration systems) were selected and the immediate concentration of airborne particulate matter was measured by active sampling. Indoor-outdoor ratios were also determined. International and national guidelines were used to ascertain the environment’s quality, both for the readers and staff and for the documents preserved in these institutions. Inside, PM2.5 ranged between 0.37μg/m3 and 27.61μg/m3, while PM10 ranged between 4.43μg/m3 and 285.52μg/m3. The lowest values were determined in storage rooms and the highest in reading rooms. In terms of human health, Portuguese guidelines for immediate PM10 concentration were not met in several locations. For conservation purposes, storage rooms were classified according to an original air quality grid. Air filtration systems proved valuable in maintaining a safe environment for our written heritage and the staff and readers that deal with it and care for it every day. This study constitutes the first snapshot of the particulate matter concentrations and distribution in Portuguese Archives.

LNT: a logical neighbor tree secure group communication scheme for wireless sensor networks

Secure group communication is a paradigm that primarily designates one-to-many communication security. The proposed works relevant to secure group communication have predominantly considered the whole network as being a single group managed by a central powerful node capable of supporting heavy communication, computation and storage cost. However, a typical Wireless Sensor Network (WSN) may contain several groups, and each one is maintained by a sensor node (the group controller) with constrained resources. Moreover, the previously proposed schemes require a multicast routing support to deliver the rekeying messages. Nevertheless, multicast routing can incur heavy storage and communication overheads in the case of a wireless sensor network. Due to these two major limitations, we have reckoned it necessary to propose a new secure group communication with a lightweight rekeying process. Our proposal overcomes the two limitations mentioned above, and can be applied to a homogeneous WSN with resource-constrained nodes with no need for a multicast routing support. Actually, the analysis and simulation results have clearly demonstrated that our scheme outperforms the previous well-known solutions.

EMMON - EMbedded MONitoring

Despite the steady increase in experimental deployments, most of research work on WSNs has focused only on communication protocols and algorithms, with a clear lack of effective, feasible and usable system architectures, integrated in a modular platform able to address both functional and non–functional requirements. In this paper, we outline EMMON [1], a full WSN-based system architecture for large–scale, dense and real–time embedded monitoring [3] applications. EMMON provides a hierarchical communication architecture together with integrated middleware and command and control software. Then, EM-Set, the EMMON engineering toolset will be presented. EM-Set includes a network deployment planning, worst–case analysis and dimensioning, protocol simulation and automatic remote programming and hardware testing tools. This toolset was crucial for the development of EMMON which was designed to use standard commercially available technologies, while maintaining as much flexibility as possible to meet specific applications requirements. Finally, the EMMON architecture has been validated through extensive simulation and experimental evaluation, including a 300+ nodes testbed.

Distributed MPC for Thermal Comfort and Load Allocation with Energy Auction

This paper presents a distributed predictive control methodology for indoor thermal comfort that optimizes the consumption of a limited shared energy resource using an integrated demand-side management approach that involves a power price auction and an appliance loads allocation scheme. The control objective for each subsystem (house or building) aims to minimize the energy cost while maintaining the indoor temperature inside comfort limits. In a distributed coordinated multi-agent ecosystem, each house or building control agent achieves its objectives while sharing, among them, the available energy through the introduction of particular coupling constraints in their underlying optimization problem. Coordination is maintained by a daily green energy auction bring in a demand-side management approach. Also the implemented distributed MPC algorithm is described and validated with simulation studies.

RadiaLE: A framework for designing and assessing link quality estimators in wireless sensor networks

Stringent cost and energy constraints impose the use of low-cost and low-power radio transceivers in large-scale wireless sensor networks (WSNs). This fact, together with the harsh characteristics of the physical environment, requires a rigorous WSN design. Mechanisms for WSN deployment and topology control, MAC and routing, resource and mobility management, greatly depend on reliable link quality estimators (LQEs). This paper describes the RadiaLE framework, which enables the experimental assessment, design and optimization of LQEs. RadiaLE comprises (i) the hardware components of the WSN testbed and (ii) a software tool for setting-up and controlling the experiments, automating link measurements gathering through packets-statistics collection, and analyzing the collected data, allowing for LQEs evaluation. We also propose a methodology that allows (i) to properly set different types of links and different types of traffic, (ii) to collect rich link measurements, and (iii) to validate LQEs using a holistic and unified approach. To demonstrate the validity and usefulness of RadiaLE, we present two case studies: the characterization of low-power links and a comparison between six representative LQEs. We also extend the second study for evaluating the accuracy of the TOSSIM 2 channel model.

Smart-HOP: a reliable handoff mechanism for mobile wireless sensor networks

Handoff processes, the events where mobile nodes select the best access point available to transfer data, have been well studied in cellular and WiFi networks. However, wireless sensor networks (WSN) pose a new set of challenges due to their simple low-power radio transceivers and constrained resources. This paper proposes smart-HOP, a handoff mechanism tailored for mobile WSN applications. This work provides two important contributions. First, it demonstrates the intrinsic relationship between handoffs and the transitional region. The evaluation shows that handoffs perform the best when operating in the transitional region, as opposed to operating in the more reliable connected region. Second, the results reveal that a proper fine tuning of the parameters, in the transitional region, can reduce handoff delays by two orders of magnitude, from seconds to tens of milliseconds.

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.

Quantifying the channel quality for interference-aware wireless sensor networks

Reliability of communications is key to expand application domains for sensor networks. SinceWireless Sensor Networks (WSN) operate in the license-free Industrial Scientific and Medical (ISM) bands and hence share the spectrum with other wireless technologies, addressing interference is an important challenge. In order to minimize its effect, nodes can dynamically adapt radio resources provided information about current spectrum usage is available. We present a new channel quality metric, based on availability of the channel over time, which meaningfully quantifies spectrum usage. We discuss the optimum scanning time for capturing the channel condition while maintaining energy-efficiency. Using data collected from a number of Wi-Fi networks operating in a library building, we show that our metric has strong correlation with the Packet Reception Rate (PRR). This suggests that quantifying interference in the channel can help in adapting resources for better reliability. We present a discussion of the usage of our metric for various resource allocation and adaptation strategies.