Evaluating serial ZigBee devices for application in wireless networked control systems

Networked control systems (NCS) are distributed control system where the sensors, actuators and controllers are physically separated and connected through communication networks. NCS represent the evolution of networked control architectures providing greater modularity and control decentralization, ease maintenance and diagnosis and lower cost of implementation. A recent trend in this research topic is the development of NCS using wireless networks (WNCS) enabling interoperability between existing wired and wireless systems. This paper evaluates a serial RS-232 ZigBee device as a wireless sensor link in NCS. In order to support this investigation, relevant performance metrics for wireless control applications such as jitter, time delay and messages lost are highlighted and calculated to evaluate the device capabilities. In addition the control performance of an implemented motor control system using the device is analyzed. Experimental results led to the conclusion that serial RS-232 ZigBee devices can be used to implement WNCS and the use of this device delay information in the PID controller discretization can improve the control performance of the system. © 2012 IEEE.

Leveraging wireless devices for networked control systems in industrial applications

Networked control systems (NCSs) are distributed control system in which sensors, actuators and controllers are physically separated and connected through communication networks. NCS represent the evolution of networked control architectures providing greater modularity and control decentralization, ease maintenance and diagnosis and lower cost of implementation. A recent trend in this research topic is the development of NCS using wireless networks(WNCS)which enable interoperability between existing wiredand wireless systems. This paper presents the feasibility analysis of using serial to wireless converter as a wireless sensor link in NCS. In order to support this investigation, relevant performance metrics for wireless control applications such as jitter, time delay and messages lost are highlighted and calculated to evaluate the wireless converter capabilities. In addition the control performance of an implemented motor control system using the converter is analyzed. Experimental results led to the conclusion that serial ZigBee device isrecommended against the Bluetooth as it provided better metrics for control applications. However, bothdevices can be used to implement WNCS providing transmission rates and closed control loop times which are acceptable for NCS applications.Moreoverthe use of thewireless device delay in the PID controller discretization can improve the control performance of the system.

Using serial bluetooth converters as a sensor link in networked control systems

Networked control systems (NCS) are distributed control system in which sensors, actuators and controllers are physically separated and connected through communication networks. NCS represent the evolution of networked control architectures providing greater modularity and control decentralization, ease maintenance and diagnosis and lower cost of implementation. A recent trend in this research topic is the development of NCS using wireless networks which enable interoperability between existing wired and wireless systems. This paper presents the feasibility analysis of using a serial RS-232 to Bluetooth converter as a wireless sensor link in NCS. In order to support this investigation, relevant performance metrics for wireless control applications such as jitter, time delay and messages lost are highlighted and calculated to evaluate the converter capabilities. In addition the control performance of an implemented motor control system using the converter is analyzed. Experimental results led to the conclusion that serial RS-232 Bluetooth converters can be used to implement wireless networked control systems (WNCS) providing transmission rates and closed control loop times which are acceptable for NCS applications. © 2011 IEEE.

Projeto de uma antena para controlo wireless de um robot

A comunicação e transmissão de informação sem fios tornou - se uma realidade cada vez mais utilizada pelas sociedades contemporâneas. A nível profissional, as forças armadas de cada país acharam conveniente modernizar os seus meios, por forma a aumentar a eficiência e a segurança em determinadas tarefas. Nesse sentido, o Exército português adquiriu um robot (ROVIM) cuja função é desempenhar ações de reconhecimento e vigilância de modo a obter informações de forma segura. O objetivo desta dissertação é dimensionar e construir uma antena para controlo wireless do robot (ROVIM). As especificações técnicas desta antena requerem dois modos de operação, um com uma largura de feixe larga e outro com uma largura de feixe estreita. Para alcançar esses objetivos dimensionou-se e construiu-se duas antenas. Na dissertação são construídas duas antenas, a primeira é uma antena Yagi – Uda convencional e a segunda é uma antena com uma estrutura nova que permite a regulação do ganho e da largura de feixe a -3 dB. A primeira antena será o modelo base da segunda antena, que apresenta a inovação do controlo das caraterísticas de radiação. Esse controlo é possível através da introdução de díodos e do respetivo circuito de polarização na estrutura da antena. Inicialmente, as antenas foram dimensionadas e simuladas recorrendo ao programa de simulação CST MWS, de modo a operarem na banda dos 2,4 GHz. Após a construção das antenas, as caraterísticas de radiação foram medidas recorrendo à câmara anecoica e ao network analyzer, permitindo assim a comparação dos resultados medidos com os simulados.

LANGATTOMAN MITTAUS- JA VALVONTAJÄRJESTELMÄN PROTOKOLLAKEHITYS

Tässä diplomityössä esitellään langattoman mittaus- ja valvontajärjestelmän protokollakehitys. Työssä selvitetään protokollakehityksessä huomioon otettavat asiat ja esitetään langattoman tilavalvontaan perustuvan pilottijärjestelmän toteutus. Pilottijärjestelmänä käytetään Ensto Busch-Jaeger Oy:n Jussi-kosteusvahtijärjestelmää, joka muutetaan langattomaksi. Järjestelmän tiedonsiirto on yksisuuntaista ja tapahtuu radioyhteydellä. Käytetty taajuus on 433,92 MHz. Tavoitteena työssä oli kehittää yksinkertainen, mutta luotettava signalointijärjestelmä. Siihen toteutettu protokolla koodaa lähetettävän datan NRZ-L -koodauksen tapaisesti. Virheenkorjaus tehdään pariteettibittiä ja Hamming-etäisyyttä hyväksi käyttäen. Lisäksi tiedonsiirron yhteyskäytäntöön on lisätty rinnakkaisuutta yksisuuntaisen tiedonsiirron varmistamiseksi. Kehitetylle protokollalle tehdyt testit osoittavat sen olevan luotettava valitussa tiedonsiirtoympäristössä.

Kaupallisten lyhyen kantaman radiotekniikoiden kartoitus ja soveltuvuus analyysi metallisorvin ohjauksessa käytettävään point-to-point yhteyteen

Työssä tutkitaan kaupallisten lyhyen kantaman radiotekniikoiden ominaisuuksia sekä soveltuvuutta metallisorvin langattomaan ohjaukseen. Ominaisuuksien perusteella valitaan parhaiten sovellukseen käyvä radiotekniikka.

Kaupallisten lyhyen kantaman radiotekniikoiden kartoitus ja soveltuvuus analyysi metallisorvin ohjauksessa käytettävään point-to-point yhteyteen

Työssä vertaillaan kaupallisia lyhyen kantaman radiotekniikoita. Vertailujen pohjalta valitaan parhaiten sovelluskohteeseen soveltuva radiotekniikka.

ZigBee-verkot ja evaluointilaitteen suunnittelu

In this thesis a closer look at ZigBee wireless network protocol was made and a ZigBee evaluation device was designed and built for testing it. ZigBee is a digital wireless network technology published in 2004, which was developed for wireless control and automation systems. It is based on the IEEE 802.15.4-2003 standard, and its aim was to create a reliable wireless networking protocol with secure data transmissions, low power consumption and low manufacturing costs. The low power consumption requirement has also led to a slow data rate and a short range, but in a ZigBee network individual network devices can route messages to each other, so short range is not a problem. In automation and control systems a fast data rate is not usually an important requirement either. ZigBee network can form automatically and one ZigBee network can theoretically include thousands of devices, all of which can communicate with each other. ZigBee network is also self-healing, so an individual device dropping out of the network, like breaking down, does not affect functionality of the network. Evaluation device was designed and implemented in four different versions, which were tested with six different antenna designs. All antennas were tested at a range of 100 meters in an open terrain using two different frequencies and transmission powers. Also a range test was performed for selected antennas using transmission power of 4,5 dBm, which was maximum power of the ZigBee chip used in the evaluation device. Range test resulted in a measured range of several hundred meters, which can be considered as a good result for a short-range technology.

WPAC: wireless payment and access control: dispositivos móveis no pagamento de serviços e controlo de acessos

A rápida evolução dos dispositivos móveis e das tecnologias de comunicação sem fios transformou o telemóvel num poderoso dispositivo de computação móvel. A necessidade de estar sempre contactável, comum à civilização moderna, tem aumentado a dependência deste dispositivo, sendo transportado pela maioria das pessoas num ambiente urbano e assumindo um papel talvez mais importante que a própria carteira. A ubiquidade e capacidade de computação dos telemóveis aumentam o interesse no desenvolvimento de serviços móveis, além de tradicionais serviços de voz. Um telemóvel pode em breve tornar-se um elemento activo nas nossas tarefas diárias, servindo como um instrumento de pagamento e controlo de acessos, proporcionando assim novas interfaces para serviços existentes. A unificação de vários serviços num único dispositivo é um desafio que pode simplificar a nossa rotina diária e aumentar o conforto, no limite deixaremos de necessitar de dinheiro físico, cartões de crédito ou débito, chaves de residência e de veículos automóveis, ou inclusive documentos de identificação como bilhetes de identidade ou passaportes. O interesse demonstrado pelos intervenientes, desde os fabricantes de telemóveis e operadores de rede móvel até às instituições financeiras, levaram ao aparecimento de múltiplas soluções de serviços móveis. Porém estas soluções respondem geralmente a problemas específicos, apenas contemplando um fornecedor de serviços ou uma determinada operação de pagamento, como seja a compra de bilhetes ou pagamento de estacionamento. Estas soluções emergentes consistem também tipicamente em especificações fechadas e protocolos proprietários. A definição de uma arquitectura genérica, aberta interoperável e extensível é necessária para que os serviços móveis possam ser adoptados de uma forma generalizada por diferentes fornecedores de serviços e para diversos tipos de pagamento. A maior parte das soluções actuais de pagamento móvel depende de comunicações através da rede móvel, algumas utilizam o telemóvel apenas como uma interface de acesso à internet enquanto outras possibilitam o envio de um SMS (Short Message Service) para autorizar uma transacção, o que implica custos de comunicação em todas as operações de pagamento. Este custo de operação torna essas soluções inadequadas para a realização de micropagamentos e podem por isso ter uma aceitação limitada por parte dos clientes. As soluções existentes focam-se maioritariamente em pagamentos à distância, não tirando partido das características do pagamento presencial e não oferecendo por isso uma verdadeira alternativa ao modelo actual de pagamento com cartões de crédito/débito. As capacidades computacionais dos telemóveis e suporte de diversos protocolos de comunicação sem fio local não têm sido aproveitadas, vendo o telemóvel apenas como um terminal GSM (Global System for Mobile Communications) e não oferecendo serviços adicionais como seja a avaliação dinâmica de risco ou controlo de despesas. Esta dissertação propõe e valida, através de um demonstrador, uma aquitectua aberta para o pagamento e controlo de acesso baseado em dispositivos móveis, intitulada WPAC (Wireless Payment and Access Control). Para chegar à solução apresentada foram estudadas outras soluções de pagamento, desde o aparecimento dos cartões de débito até a era de pagamentos electrónicos móveis, passando pelas soluções de pagamento através da internet. As capacidades dos dispositivos móveis, designadamente os telemóveis, e tecnologias de comunicação sem fios foram também analisadas a fim de determinar o estado tecnológico actual. A arquitectura WPAC utiliza padrões de desenho utilizados pela indústria em soluções de sucesso, a utilização de padrões testados e a reutilização de soluções com provas dadas permite aumentar a confiança nesta solução, um destes exemplos é a utilização de uma infra-estrutura de chave pública para o estabelecimento de um canal de comunicação seguro. Esta especificação é uma arquitectura orientada aos serviços que utiliza os Web Services para a definição do contracto do serviço de pagamento. A viabilidade da solução na orquestração de um conjunto de tecnologias e a prova de conceito de novas abordagens é alcançada com a construção de um protótipo e a realização de testes. A arquitectura WPAC possibilita a realização de pagamentos móveis presenciais, isto é, junto do fornecedor de bens ou serviços, seguindo o modelo de pagamento com cartões de crédito/débito no que diz respeito aos intervenientes e relações entre eles. Esta especificação inclui como aspecto inovador a avaliação dinâmica de risco, que utiliza o valor do pagamento, a existência de pagamentos frequentes num período curto de tempo, e a data, hora e local do pagamento como factores de risco; solicitando ao cliente o conjunto de credenciais adequado ao risco avaliado, desde códigos pessoais a dados biométricos. É também apresentada uma alternativa ao processo normal de pagamento, que apesar de menos cómoda permite efectuar pagamentos quando não é possível estabelecer um canal de comunicação sem fios, aumentando assim a tolerância a falhas. Esta solução não implica custos de operação para o cliente na comunicação com o ponto de venda do comerciante, que é realizada através de tecnologias de comunicação local sem fios, pode ser necessária a comunicação através da rede móvel com o emissor do agente de pagamento para a actualização do agente de software ou de dados de segurança, mas essas transmissões são ocasionais. O modelo de segurança recorre a certificados para autenticação dos intervenientes e a uma infra-estrutura de chave pública para cifra e assinatura de mensagens. Os dados de segurança incluídos no agente de software móvel, para desabilitar a cópia ou corrupção da aplicação mas também para a comparação com as credenciais inseridas pelo cliente, devem igualmente ser encriptados e assinados de forma a garantir a sua confidencialidade e integridade. A arquitectura de pagamento utiliza o standard de Web Services, que é amplamente conhecido, aberto e interoperável, para definição do serviço de pagamento. Existem extensões à especificação de Web Services relativas à segurança que permitem trocar itens de segurança e definem o modo de cifra e assinatura de mensagens, possibilitando assim a sua utilização em aplicações que necessitem de segurança como é o caso de serviços de pagamento e controlo de acesso. O contracto de um Web Service define o modo de invocação dos serviços, transmissão de informação e representação de dados, sendo normalmente utilizado o protocolo SOAP que na prática não é mais que um protocolo de troca de mansagens XML (eXtensible Markup Language). O envio e recepção de mensagens XML; ou seja, a transmissão de simples sequências de caracteres, é suportado pela maioria dos protocolos de comunicação, sendo portanto uma solução abrangente que permite a adopção de diversas tecnologias de comunicação sem fios. O protótipo inclui um agente de software móvel, implementado sobre a forma de uma MIDlet, aplicação Java para dispositivos móveis, que implementa o protocolo de pagamento comunicando sobre uma ligação Bluetooth com o ponto de venda do comerciante, simulado por uma aplicação desenvolvida sobre a plataforma .NET e que por isso faz prova da heterogeneidade da solução. A comunicação entre o comerciante e o seu banco para autorização do pagamento e transferência monetária utiliza o protocolo existente para a autorização de pagamentos, com base em cartões de crédito/débito. A definição desta especificação aberta e genérica em conjunto com o forte interesse demonstrado pelos intervenientes, proporciona uma boa perspectiva em termos de adopção da solução, o que pode impulsionar a implementação de serviços móveis e dessa forma simplificar as rotinas diárias das pessoas. Soluções móveis de pagamento reduzem a necessidade de transportar vários cartões de crédito/débito na nossa carteira. A avaliação dinâmica de risco permite aumentar a segurança dos pagamentos, com a solicitação de mais credenciais ao cliente para pagamentos com um maior risco associado, sendo um ponto importante quer para os clientes quer para as instituições financeiras pois diminui o risco de fraude e aumenta a confiança no sistema. Esta solução de pagamento electrónico pode também facilitar a consulta de pagamentos efectuados e saldos, mantendo um histórico dos movimentos, o que não é possível nos cartões de crédito/débito sem uma visita a uma ATM (Automated Teller Machine) ou utilização de homebanking.

Collision-free prioritized medium access control in wireless networks with hidden nodes

We propose a collision-free medium access control (MAC) protocol, which implements static-priority scheduling and works in the presence of hidden nodes. The MAC protocol allows multiple masters and is fully distributed; it is an adaptation to a wireless channel of the dominance protocol used in the CAN bus. But unlike that protocol, our protocol does not require a node having the ability to sense the channel while transmitting to the channel. Our protocol is collision-free even in the presence of hidden nodes and it achieves this without synchronized clocks or out-of-band busy tones. In addition, the protocol is designed to ensure that many non-interfering nodes can transmit in parallel and it functions for both broadcast and unicast transmissions.

Wireless Authentication and Authorization, case Wireless Access Control System

Lyhyen kantaman radiotekniikoiden hyödyntäminen mahdollistaa uudenlaisten paikallisten palveluiden käytön ja vanhojen palveluiden kehittämisen. Kulunvalvonta on päivittäisenä palveluna valittu työn esimerkkisovellukseksi. Useita tunnistus- ja valtuutustapoja tutkitaan, ja julkisen avaimen infrastruktuuri on esitellään tarkemmin. Langattomat tekniikat Bluetooth, Zigbee, RFID ja IrDA esitellän yleisellä tasolla langattomat tekniikat –luvussa. Bluetooth-tekniikan rakennetta, mukaan lukien sen tietoturva-arkkitehtuuria, tutkitaan tarkemmin. Bluetooth-tekniikkaa käytetään työssä suunnitellun langattoman kulunvalvontajärjestelmän tietojen siirtoon. Kannettava päätelaite toimii käyttäjän henkilökohtaisena luotettuna laitteena, jota voi käyttää avaimena. Käyttäjän tunnistaminen ja valtuuttaminen perustuu julkisen avaimen infrastruktuuriin. Ylläpidon allekirjoittamat varmenteet sisältävät käyttäjän julkisen avaimen lisäksi tietoa hänestä ja hänen oikeuksistaan. Käyttäjän tunnistaminen kulunvalvontapisteissä tehdään julkisen ja salaisen avaimen käyttöön perustuvalla haaste-vastaus-menetelmällä. Lyhyesti, järjestelmässä käytetään Bluetooth-päätelaitteita langattomina avaimina.

Design and Analysis of Forward Error Control Coding and Signaling for Guaranteeing QoS in Wireless Broadcast Systems

Broadcasting systems are networks where the transmission is received by several terminals. Generally broadcast receivers are passive devices in the network, meaning that they do not interact with the transmitter. Providing a certain Quality of Service (QoS) for the receivers in heterogeneous reception environment with no feedback is not an easy task. Forward error control coding can be used for protection against transmission errors to enhance the QoS for broadcast services. For good performance in terrestrial wireless networks, diversity should be utilized. The diversity is utilized by application of interleaving together with the forward error correction codes. In this dissertation the design and analysis of forward error control and control signalling for providing QoS in wireless broadcasting systems are studied. Control signaling is used in broadcasting networks to give the receiver necessary information on how to connect to the network itself and how to receive the services that are being transmitted. Usually control signalling is considered to be transmitted through a dedicated path in the systems. Therefore, the relationship of the signaling and service data paths should be considered early in the design phase. Modeling and simulations are used in the case studies of this dissertation to study this relationship. This dissertation begins with a survey on the broadcasting environment and mechanisms for providing QoS therein. Then case studies present analysis and design of such mechanisms in real systems. The mechanisms for providing QoS considering signaling and service data paths and their relationship at the DVB-H link layer are analyzed as the first case study. In particular the performance of different service data decoding mechanisms and optimal signaling transmission parameter selection are presented. The second case study investigates the design of signaling and service data paths for the more modern DVB-T2 physical layer. Furthermore, by comparing the performances of the signaling and service data paths by simulations, configuration guidelines for the DVB-T2 physical layer signaling are given. The presented guidelines can prove useful when configuring DVB-T2 transmission networks. Finally, recommendations for the design of data and signalling paths are given based on findings from the case studies. The requirements for the signaling design should be derived from the requirements for the main services. Generally, these requirements for signaling should be more demanding as the signaling is the enabler for service reception.

An enhanced relay-enabled medium access control protocol for wireless ad hoc networks

In this paper we propose an enhanced relay-enabled distributed coordination function (rDCF) for wireless ad hoc networks. The idea of rDCF is to use high data rate nodes to work as relays for the low data rate nodes. The relay helps to increase the throughput and lower overall blocking time of nodes due to faster dual-hop transmission. rDCF achieves higher throughput over IEEE 802.11 distributed coordination function (DCF). The protocol is further enhanced for higher throughput and reduced energy. These enhancements result from the use of a dynamic preamble (i.e. using short preamble for the relay transmission) and also by reducing unnecessary overhearing (by other nodes not involved in transmission). We have modeled the energy consumption of rDCF, showing that rDCF provides an energy efficiency of 21.7% at 50 nodes over 802.11 DCF. Compared with the existing rDCF, the enhanced rDCF (ErDCF) scheme proposed in this paper yields a throughput improvement of 16.54% (at the packet length of 1000 bytes) and an energy saving of 53% at 50 nodes.