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.

Sensores de pressão em fibra óptica para o estudo dos fenómenos da percolação da água em solos

Dada a necessidade de obtermos sistemas monitorizados com elevada precisão, de grande durabilidade e resistentes às condições atmosféricas, surgiu a possibilidade de aplicação das fibras ópticas como sensores para monitorização de pressão. Nesse contexto, as fibras “hetero-core” (fibra óptica composta por uma fibra multimodo entre duas fibras ópticas monomodo) e a utilização de lentes GRIN (“GRaded INdex”) em conjunto com superfícies reflectoras permitem a determinação da pressão e são objecto de estudo desta dissertação. Em termos de aplicação, o objectivo principal desta tese de mestrado foi de proporcionar o projecto e desenvolvimentos da medida de pressão em 48 pontos para um tanque de estudo dos fenómenos de percolação da água nos solos e que é pertencente à Secção de Geotecnia do Departamento de Engenharia Civil da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto. Inicialmente, foi caracterizado um sistema contendo uma fibra “hetero-core” à qual foi aplicada uma curvatura, com auxílio de uma carruagem micrométrica. Este sistema permitiu a simulação do mesmo efeito de aplicação de pressão à fibra “hetero-core”. Na configuração seguinte, usou-se um OTDR (“Optical Time Domain Reflectometer”) para visualização e registo das perdas encontradas durante o processo de dobrar e esticar da fibra “hetero-core”. Ao longo deste registo, várias configurações foram testadas até ser encontrada a cabeça sensora com melhor comportamento para monitorizar a pressão. A multiplexagem foi conseguida ao colocar dois sensores em série, sendo cada um deles constituído por uma fibra “hetero-core” colocada no fundo de um tubo de água disposto verticalmente. Com a adição da água no tubo de água, a curvatura na fibra “hetero-core” aumentava, notando-se claramente que as perdas também subiam. Os resultados obtidos nesta configuração foram bastante satisfatórios permitindo a independência entre os dois sensores dispostos em série. Posteriormente, foi testada uma nova configuração sensora, o sensor de fibra óptica para monitorização de pressão foi construído com recurso a uma lente GRIN e uma superfície reflectora. Esta lente, disposta diante de um espelho, permitiu emitir e captar luz de um determinado comprimento de onda devido à reflexão do sinal luminoso no espelho. Com sucessivos incrementos, afastou-se e aproximou-se a lente ao espelho, registando-se e observando-se as perdas de potência obtidas com auxílio do OTDR. Também para esta configuração foi testada a multiplexagem de vários sensores, tendo sido utilizadas as seguintes opções: um acoplador de 2:1; um acoplador 4:1 e um comutador óptico. Verificou-se que a utilização de um comutador óptico é o melhor caso para a monitorização de pressão de múltiplos sensores. A multiplexagem com recurso ao comutador foi possível, uma vez que permitia a medição independente de cada sensor de pressão num determinado tempo. Com este resultado, é possível monitorizar 48 sensores com recurso ao OTDR, multiplexados temporalmente. Toda esta implementação prática da dissertação foi realizada nas instalações da Unidade de Optoelectrónica e Sistemas Electrónicos no INESC Porto, onde foram caracterizados e estudados sensores com diferentes características que poderão ser lidas neste documento. A componente teórica foi efectuada na Universidade da Madeira.

Conversores DC-DC comutados de elevado rendimento para sensores de imagem

Nesta tese de mestrado em engenharia telecomunicações e redes de energia, fez-se um estudo sobre conversores DC-DC comutados de elevado rendimento para sensores de imagem. Onde o principal objetivo é que se desenvolva, em ambiente industrial, um conversor DC-DC de alto rendimento que seja capaz de criar uma tensão inferior à sua alimentação. De salientar que o conversor foi implementado, quase na totalidade, sob a forma de circuito integrado, na tecnologia CMOS 0,35 μm. A implementação deste trabalho foi realizada por meio de um estágio na empresa de sensores de imagem Awaiba. No desenvolvimento do conversor DC-DC inicializou-se o estudo com um regulador de condensadores comutados, com uma arquitetura simples, em que se verificou, através de simulações realizadas num software específico para circuitos integrados - Design Arquitect-IC, que este regulador, apesar de estabilizar a tensão de saída na pretendida, não apresentava alto rendimento, ficando pelos 62%. Na sequência do estudo, na tentativa de melhorar as características do regulador de condensadores comutados, desenvolveu-se um conversor DC-DC com um filtro passa baixo na saída. Verificou-se, através de simulação que este conversor apresentava um rendimento de 92%, onde a sua tensão de alimentação é de 3,3 V e consegue regular na sua saída uma tensão variável entre 1,4 V e 2,2 V, suportando uma corrente máxima de 200 mA. É de referir que o conversor desenvolvido apresenta um tempo de resposta de 20 μs quando ocorre um consumo de corrente com variação em escalão. Sendo um conversor adequado para alimentar sensores de imagem e com elevado rendimento.

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.

Uma arquitetura distribuída de hardware e software para controle de um robô móvel autônomo

BRITTO, Ricardo S.; MEDEIROS, Adelardo A. D.; ALSINA, Pablo J. Uma arquitetura distribuída de hardware e software para controle de um robô móvel autônomo. In: SIMPÓSIO BRASILEIRO DE AUTOMAÇÃO INTELIGENTE,8., 2007, Florianópolis. Anais... Florianópolis: SBAI, 2007.

Estimação e compensação de não linearidades inerentes aos atuadores dos processos industriais

The oscillations presents in control loops can cause damages in petrochemical industry. Canceling, or even preventing such oscillations, would save up to large amount of dollars. Studies have identified that one of the causes of these oscillations are the nonlinearities present on industrial process actuators. This study has the objective to develop a methodology for removal of the harmful effects of nonlinearities. Will be proposed an parameter estimation method to Hammerstein model, whose nonlinearity is represented by dead-zone or backlash. The estimated parameters will be used to construct inverse models of compensation. A simulated level system was used as a test platform. The valve that controls inflow has a nonlinearity. Results and describing function analysis show an improvement on system response

Processamento Inteligente de Sinais de Pressão e Temperatura Adquiridos Através de Sensores Permanentes em Poços de Petróleo

Originally aimed at operational objectives, the continuous measurement of well bottomhole pressure and temperature, recorded by permanent downhole gauges (PDG), finds vast applicability in reservoir management. It contributes for the monitoring of well performance and makes it possible to estimate reservoir parameters on the long term. However, notwithstanding its unquestionable value, data from PDG is characterized by a large noise content. Moreover, the presence of outliers within valid signal measurements seems to be a major problem as well. In this work, the initial treatment of PDG signals is addressed, based on curve smoothing, self-organizing maps and the discrete wavelet transform. Additionally, a system based on the coupling of fuzzy clustering with feed-forward neural networks is proposed for transient detection. The obtained results were considered quite satisfactory for offshore wells and matched real requisites for utilization

Algoritmos inteligentes para auto-correção, auto-verificação e auto-validação de medidas em sensores

This work presents a set of intelligent algorithms with the purpose of correcting calibration errors in sensors and reducting the periodicity of their calibrations. Such algorithms were designed using Artificial Neural Networks due to its great capacity of learning, adaptation and function approximation. Two approaches willbe shown, the firstone uses Multilayer Perceptron Networks to approximate the many shapes of the calibration curve of a sensor which discalibrates in different time points. This approach requires the knowledge of the sensor s functioning time, but this information is not always available. To overcome this need, another approach using Recurrent Neural Networks was proposed. The Recurrent Neural Networks have a great capacity of learning the dynamics of a system to which it was trained, so they can learn the dynamics of a sensor s discalibration. Knowingthe sensor s functioning time or its discalibration dynamics, it is possible to determine how much a sensor is discalibrated and correct its measured value, providing then, a more exact measurement. The algorithms proposed in this work can be implemented in a Foundation Fieldbus industrial network environment, which has a good capacity of device programming through its function blocks, making it possible to have them applied to the measurement process

Uma arquitetura distribuída de hardware e software para controle de um robô móvel autônomo

In this work, we present a hardware-software architecture for controlling the autonomous mobile robot Kapeck. The hardware of the robot is composed of a set of sensors and actuators organized in a CAN bus. Two embedded computers and eigth microcontroller based boards are used in the system. One of the computers hosts the vision system, due to the significant processing needs of this kind of system. The other computer is used to coordinate and access the CAN bus and to accomplish the other activities of the robot. The microcontroller-based boards are used with the sensors and actuators. The robot has this distributed configuration in order to exhibit a good real-time behavior, where the response time and the temporal predictability of the system is important. We adopted the hybrid deliberative-reactive paradigm in the proposed architecture to conciliate the reactive behavior of the sensors-actuators net and the deliberative activities required to accomplish more complex tasks

Plataforma Robótica de Baixíssimo Custo para Robótica Educacional

Robots are present each time more on several areas of our society, however they are still considered expensive equipments that are restricted to few people. This work con- sists on the development of control techniques and architectures that make possible the construction and programming of low cost robots with low programming and building complexity. One key aspect of the proposed architecture is the use of audio interfaces to control actuators and read sensors, thus allowing the usage of any device that can produce sounds as a control unit of a robot. The work also includes the development of web ba- sed programming environments that allow the usage of computers or mobile phones as control units of the robot, which can be remotely programmed and controlled. The work also includes possible applications of such low cost robotic platform, including mainly its educational usage, which was experimentally validated by teachers and students of seve- ral graduation courses. We also present an analysis of data obtained from interviews done with the students before and after the use of our platform, which confirms its acceptance as a teaching support tool

Otimizações da transmissão de imagens em redes de sensores visuais sem fio explorando a relevância de monitoramento dos nós fontes e codificação DWT

The development of wireless sensor networks for control and monitoring functions has created a vibrant investigation scenario, covering since communication aspects to issues related with energy efficiency. When source sensors are endowed with cameras for visual monitoring, a new scope of challenges is raised, as transmission and monitoring requirements are considerably changed. Particularly, visual sensors collect data following a directional sensing model, altering the meaning of concepts as vicinity and redundancy but allowing the differentiation of source nodes by their sensing relevancies for the application. In such context, we propose the combined use of two differentiation strategies as a novel QoS parameter, exploring the sensing relevancies of source nodes and DWT image coding. This innovative approach supports a new scope of optimizations to improve the performance of visual sensor networks at the cost of a small reduction on the overall monitoring quality of the application. Besides definition of a new concept of relevance and the proposition of mechanisms to support its practical exploitation, we propose five different optimizations in the way images are transmitted in wireless visual sensor networks, aiming at energy saving, transmission with low delay and error recovery. Putting all these together, the proposed innovative differentiation strategies and the related optimizations open a relevant research trend, where the application monitoring requirements are used to guide a more efficient operation of sensor networks

Desenvolvimento de Uma Órtese Ativa Para os Membros Inferiores Com Sistema Eletrônico Embarcado

This work presents the development of a prototype of an intelligent active orthosis for lower limbs whit an electronic embedded system. The proposed orthosis is an orthopedical device with the main objective of providing walking capacity to people with partial or total loss of lower limbs movements. In order to design the kinematics, dynamics and the mechanical characteristics of the prototype, the biomechanics of the human body was analized. The orthosis was projected to reproduce some of the movements of the human gait as walking in straight forward, sit down, get up, arise and go down steps. The joints of the orthosis are controlled by DC motors equipped with mechanical reductions, whose purpose is to reduce rotational speed and increase the torque, thus generating smooth movements. The electronic embedded system is composed of two motor controller boards with two channels that communicate with a embedded PC, position sensors and limit switches. The gait movements of the orthosis will be controlled by high level commands from a human-machine interface. The embedded electronic system interprets the high level commands, generates the angular references for the joints of the orthosis, controls and drives the actuators in order to execute the desired movements of the user

Utilização de redes neurais artificiais para detecção e diagnóstico de falhas

In a real process, all used resources, whether physical or developed in software, are subject to interruptions or operational commitments. However, in situations in which operate critical systems, any kind of problem may bring big consequences. Knowing this, this paper aims to develop a system capable to detect the presence and indicate the types of failures that may occur in a process. For implementing and testing the proposed methodology, a coupled tank system was used as a study model case. The system should be developed to generate a set of signals that notify the process operator and that may be post-processed, enabling changes in control strategy or control parameters. Due to the damage risks involved with sensors, actuators and amplifiers of the real plant, the data set of the faults will be computationally generated and the results collected from numerical simulations of the process model. The system will be composed by structures with Artificial Neural Networks, trained in offline mode using Matlab®

Sensores e interfaces com aplicações em motor mancal

Relevant researches have been growing on electric machine without mancal or bearing and that is generally named bearingless motor or specifically, mancal motor. In this paper it is made an introductory presentation about bearingless motor and its peripherical devices with focus on the design and implementation of sensors and interfaces needed to control rotor radial positioning and rotation of the machine. The signals from the machine are conditioned in analogic inputs of DSP TMS320F2812 and used in the control program. This work has a purpose to elaborate and build a system with sensors and interfaces suitable to the input and output of DSP TMS320F2812 to control a mancal motor, bearing in mind the modularity, simplicity of circuits, low number of power used, good noise imunity and good response frequency over 10 kHz. The system is tested at a modified ordinary induction motor of 3,7 kVA to be used with a bearingless motor with divided coil

Sensores de reflectância e fluorescência na avaliação de teores de nitrogênio, produção de biomassa e produtividade do algodoeiro

O objetivo deste trabalho foi avaliar o potencial de utilização dos sensores de reflectância e fluorescência na avaliação de teores de N‑NO3‑ no pecíolo, na produção de biomassa e na produtividade do algodoeiro. Utilizou-se o delineamento experimental de blocos ao acaso em arranjo fatorial 3x4, com quatro repetições. Os tratamentos consistiram de três variedades de algodão (ST‑4288‑B2RF, ST‑4498‑B2RF e DP-164‑B2RF) e quatro doses de N (0, 45, 90 e 135 kg ha‑1). Aos 120 dias após a semeadura, foram realizadas leituras com sensores ópticos de reflectância e fluorescência. Não houve correlação significativa dos teores de N‑NO3‑ no pecíolo com os índices de reflectância; porém, houve correlação destes com a produção de biomassa (0,39) e a produtividade (0,32 a 0,41). Os índices do sensor de fluorescência correlacionaram-se significativamente com teores de N‑NO3‑ no pecíolo (0,34 a 0,61), produção de biomassa (0,30 a 0,53) e produtividade (0,34). em comparação com os índices de reflectância, os de fluorescência apresentam maior capacidade de avaliar os teores de N‑NO3‑ no pecíolo, capacidade semelhante em detectar variação na biomassa e menor capacidade de detectar variação da produtividade do algodoeiro, quando se aplicam doses crescentes de N.