A QoS-Based Wireless Multimedia Sensor Cluster Protocol

Wireless Sensor Networks (WSNs) provide a wireless network infrastructure for sensed data transport in environments where wired or satellite technologies cannot be used. Because the embedded hardware of the sensor nodes has been improved very much in the last years and the number of real deployments is increasing considerably, they have become a reliable option for the transmission of any type of sensed data, from few sensed measures to multimedia data. This paper proposes a new protocol that uses an ad hoc cluster based architecture which is able to adapt the logical sensor network topology to the delivered multimedia stream features, guaranteeing the quality of the communications. The proposed protocol uses the quality of service (QoS) parameters, such as bandwidth, delay, jitter, and packet loss, of each type of multimedia stream as a basis for the sensor clusters creation and organization inside the WSN, providing end-to-end QoS for each multimedia stream. We present real experiments that show the performance of the protocol for several video and audio cases when it is runningThis work has been partially supported by the "Ministerio de Ciencia e Innovacion," through the "Plan Nacional de I+D+i 2008-2011" in the "Subprograma de Proyectos de Investigacion Fundamental," Project TEC2011-27516. This work has also been partially supported by the Instituto de Telecomunicacoes, Next Generation Networks and Applications Group (NetGNA), Portugal, by the Government of Russian Federation, Grant 074-U01, and by National Funding from the Fundacao para a Ciencia e a Tecnologia (FCT) through the PEst-OE/EEI/LA0008/2013 Project.Díaz Santos, JR.; Lloret, J.; Jimenez, JM.; Rodrigues, JJPC. (2014). A QoS-Based Wireless Multimedia Sensor Cluster Protocol. International Journal of Distributed Sensor Networks. 2014:1-17. https://doi.org/10.1155/2014/480372S1172014Bri, D., Garcia, M., Lloret, J., & Dini, P. (2009). Real Deployments of Wireless Sensor Networks. 2009 Third International Conference on Sensor Technologies and Applications. doi:10.1109/sensorcomm.2009.69Karim, L., Anpalagan, A., Nasser, N., & Almhana, J. (2013). Sensor-based M2M Agriculture Monitoring Systems for Developing Countries: State and Challenges. Network Protocols and Algorithms, 5(3), 68. doi:10.5296/npa.v5i3.3787Edo, M., Canovas, A., Garcia, M., & Lloret, J. (s. f.). Providing VoIP and IPTV Services in WLANs. Handbook of Research on Mobility and Computing, 426-444. doi:10.4018/978-1-60960-042-6.ch028Diab, R., Chalhoub, G., & Misson, M. (2013). Overview on Multi-Channel Communications in Wireless Sensor Networks. Network Protocols and Algorithms, 5(3), 112. doi:10.5296/npa.v5i3.3811Khoukhi, L., & Cherkaoui, S. (2010). Intelligent QoS management for multimedia services support in wireless mobile ad hoc networks. Computer Networks, 54(10), 1692-1706. doi:10.1016/j.comnet.2010.01.014Abbas, C. J. B., Orozco, A. L. S., & Villalba, L. J. G. (2012). A distributed QoS mechanism for ad hoc network. International Journal of Ad Hoc and Ubiquitous Computing, 11(1), 25. doi:10.1504/ijahuc.2012.049282Çevik, T., & Zaim, A. H. (2013). A Multichannel Cross-Layer Architecture for Multimedia Sensor Networks. International Journal of Distributed Sensor Networks, 9(3), 457045. doi:10.1155/2013/457045Li, Z., Bi, J., & Chen, S. (2013). Traffic Prediction-Based Fast Rerouting Algorithm for Wireless Multimedia Sensor Networks. International Journal of Distributed Sensor Networks, 9(5), 176293. doi:10.1155/2013/176293Lloret, J., Palau, C., Boronat, F., & Tomas, J. (2008). Improving networks using group-based topologies. Computer Communications, 31(14), 3438-3450. doi:10.1016/j.comcom.2008.05.030Lloret, J., Garcia, M., Tomás, J., & Boronat, F. (2008). GBP-WAHSN: A Group-Based Protocol for Large Wireless Ad Hoc and Sensor Networks. Journal of Computer Science and Technology, 23(3), 461-480. doi:10.1007/s11390-008-9147-6Lehsaini, M., Guyennet, H., & Feham, M. (2010). An efficient cluster-based self-organisation algorithm for wireless sensor networks. International Journal of Sensor Networks, 7(1/2), 85. doi:10.1504/ijsnet.2010.031852Lloret, J., Garcia, M., Bri, D., & Diaz, J. (2009). A Cluster-Based Architecture to Structure the Topology of Parallel Wireless Sensor Networks. Sensors, 9(12), 10513-10544. doi:10.3390/s91210513Diaz, J. R., Lloret, J., Jimenez, J. M., & Sendra, S. (2014). MWAHCA: A Multimedia Wireless Ad Hoc Cluster Architecture. The Scientific World Journal, 2014, 1-14. doi:10.1155/2014/913046Wei, D., & Chan, H. (2006). Clustering Ad Hoc Networks: Schemes and Classifications. 2006 3rd Annual IEEE Communications Society on Sensor and Ad Hoc Communications and Networks. doi:10.1109/sahcn.2006.288583Yu, J. Y., & Chong, P. H. J. (2005). A survey of clustering schemes for mobile ad hoc networks. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 7(1), 32-48. doi:10.1109/comst.2005.1423333Abbasi, A. A., & Younis, M. (2007). A survey on clustering algorithms for wireless sensor networks. Computer Communications, 30(14-15), 2826-2841. doi:10.1016/j.comcom.2007.05.024Boyinbode, O., Le, H., & Takizawa, M. (2011). A survey on clustering algorithms for wireless sensor networks. International Journal of Space-Based and Situated Computing, 1(2/3), 130. doi:10.1504/ijssc.2011.040339Ramachandran, L., Kapoor, M., Sarkar, A., & Aggarwal, A. (2000). Clustering algorithms for wireless ad hoc networks. Proceedings of the 4th international workshop on Discrete algorithms and methods for mobile computing and communications - DIALM ’00. doi:10.1145/345848.345860Chatterjee, M., Das, S. K., & Turgut, D. (2002). Cluster Computing, 5(2), 193-204. doi:10.1023/a:1013941929408Huang, Y.-M., Hsieh, M.-Y., & Wang, M.-S. (2007). Reliable transmission of multimedia streaming using a connection prediction scheme in cluster-based ad hoc networks. Computer Communications, 30(2), 440-452. doi:10.1016/j.comcom.2006.09.012Tang, S., & Li, W. (2006). QoS supporting and optimal energy allocation for a cluster based wireless sensor network. Computer Communications, 29(13-14), 2569-2577. doi:10.1016/j.comcom.2006.02.007Rosário, D., Costa, R., Paraense, H., Machado, K., Cerqueira, E., Braun, T., & Zhao, Z. (2012). A Hierarchical Multi-hop Multimedia Routing Protocol for Wireless Multimedia Sensor Networks. Network Protocols and Algorithms, 4(4). doi:10.5296/npa.v4i4.2121Diaz, J. R., Lloret, J., Jiménez, J. M., & Hammoumi, M. (2014). A new multimedia-oriented architecture and protocol for wireless ad hoc networks. International Journal of Ad Hoc and Ubiquitous Computing, 16(1), 14. doi:10.1504/ijahuc.2014.062486Meghanathan, N., & Mumford, P. (2013). Centralized and Distributed Algorithms for Stability-based Data Gathering in Mobile Sensor Networks. Network Protocols and Algorithms, 84. doi:10.5296/npa.v5i4.420

Optimisation de la transmission d'images dans les réseaux de capteurs pour des applications critiques de surveillance

L émergence de petites caméras CMOS et de microphones MEMS, à coût et puissance réduits, a contribué au développement d une technologie permettant la transmission de flux multimédia (audio, image, vidéo) : les réseaux de capteurs multimédia. Cette technologie, offrant de nouvelles perspectives d applications potentielles où la collecte d informations visuelles et/ou acoustiques apporte une plus- value certaine, suscite un intérêt manifeste. Avec des données multimédia, la qualité de service devient désormais une exigence fondamentale pour la transmission dans un environnement contraint en ressources. Dans le contexte spécifique de cette thèse, nous considérons un déploiement par voie aérienne d une grande quantité de capteurs image pour des applications critiques de surveillance telles que la détection d intrusion ou des opérations de recherche et sauvetage. La prise en compte de la criticité des applications constitue un aspect important de cette thèse, novateur par rapport aux contributions déjà effectuées dans le domaine. Nos travaux se fondent sur une méthode d ordonnancement adaptatif de l activité des capteurs image qui fournit, pour chacun d entre eux, son ensemble de cover-sets. La détection d un événement dans le réseau déclenche la transmission d une large quantité d informations visuelles, émanant de plusieurs sources pour résoudre les ambiguïtés. L objectif de cette thèse est d optimiser cette transmission simultanée d images causant des désagréments sur le réseau. Nous avons tout d abord proposé une stratégie de sélection des cover-sets pertinents à activer pour une transmission efficace des images capturées. Cette stratégie, basée sur des critères d état et de voisinage, assure un compromis entre autonomie et criticité. Une extension multi-chemin de GPSR assure la remontée des images émises des sources sélectionnées au puits. Une seconde contribution, également une approche de sélection, se fonde sur les informations de chemins à 2 sauts pour la sélection des cover-sets. Contrairement à la précédente, elle accorde une priorité à la criticité par rapport à la préservation de l énergie, même si cette préservation est faite de manière indirecte. Un protocole de routage multi-chemin T-GPSR essentiellement basé sur les informations à 2 sauts est associé à la seconde approche de sélection. Une étude de performances de la mobilité du puits sur les propositions basées sur les informations à 2 sauts constitue notre troisième contribution.Recent advances of inexpensive and low-power CMOS cameras and MEMS mi- crophones have led to the emergence of Wireless Multimedia Sensor Networks (WMSNs). WMSNs promise a wide spectrum of potential applications which require to ubiquitously capture multimedia content (visual and audio information). To support the transmission of multimedia content in a resource constrained environment, WMSNs may require a certain level of quality of service (QoS) in terms of delay, bandwidth, jitter, reliability, quality level etc. In this thesis, we consider Wireless Image Sensor Networks (WISNs) where sensor nodes equipped with miniaturized visual cameras to provide accurate information in various geographical parts of an area of interest can be thrown in mass for mission-critical applications such as intrusion detection or search & rescue. An innovative and important aspect of this thesis is to take into account the criticality of applications. The network adopts an adaptive scheduling of image sensor node s activity based on the application criticality level, where each node computes its cover-sets. So, event detection triggers the simulataneous transmission of a large volume of visual data from multiples sources to the Sink. The main objective of this thesis is to optimize this simultaneous transmission of images that can degrade network performance. With this goal in mind, we first proposed a multi-criteria approach to select the suitable cover-sets to be activated for reliable transmission of images in mission-critical applications. The proposed approach takes into account various parameters that affect the image quality at the Sink in a multi-hop transmission network and guarantees a compromise between autonomy and criticality. A modified version of GPSR routing protocol supporting the transmission of multimedia streams ensures the transfer of images from selected sources to the Sink. The second contribution consists in an optimized selection strategy based on 2-hop neighborhood information to determine the most relevant cover-sets to be activated to increase reliability for image transmission. This selection approach prioritizes the application s criticality. A multipath extension of GPSR, called T-GPSR, wherein routing decisions are based 2-hop neighborhood information is also proposed. A performance study of the sink mobility on proposals based on 2-hop information is our third contribution.PAU-BU Sciences (644452103) / SudocSudocFranceF

Design and Implementation of a Communication Protocol to Improve Multimedia QoS and QoE in Wireless Ad Hoc Networks

[EN] This dissertation addresses the problem of multimedia delivery over multi-hop ad hoc wireless networks, and especially over wireless sensor networks. Due to their characteristics of low power consumption, low processing capacity and low memory capacity, they have major difficulties in achieving optimal quality levels demanded by end users in such communications. In the first part of this work, it has been carried out a study to determine the behavior of a variety of multimedia streams and how they are affected by the network conditions when they are transmitted over topologies formed by devices of different technologies in multi hop wireless ad hoc mode. To achieve this goal, we have performed experimental tests using a test bench, which combine the main codecs used in audio and video streaming over IP networks with different sound and video captures representing the characteristic patterns of multimedia services such as phone calls, video communications, IPTV and video on demand (VOD). With the information gathered in the laboratory, we have been able to establish the correlation between the induced changes in the physical and logical topology and the network parameters that measure the quality of service (QoS) of a multimedia transmission, such as latency, jitter or packet loss. At this stage of the investigation, a study was performed to determine the state of the art of the proposed protocols, algorithms, and practical implementations that have been explicitly developed to optimize the multimedia transmission over wireless ad hoc networks, especially in ad hoc networks using clusters of nodes distributed over a geographic area and wireless sensor networks. Next step of this research was the development of an algorithm focused on the logical organization of clusters formed by nodes capable of adapting to the circumstances of real-time traffic. The stated goal was to achieve the maximum utilization of the resources offered by the set of nodes that forms the network, allowing simultaneously sending reliably and efficiently all types of content through them, and mixing conventional IP data traffic with multimedia traffic with stringent QoS and QoE requirements. Using the information gathered in the previous phase, we have developed a network architecture that improves overall network performance and multimedia streaming. In parallel, it has been designed and programmed a communication protocol that allows implementing the proposal and testing its operation on real network infrastructures. In the last phase of this thesis we have focused our work on sending multimedia in wireless sensor networks (WSN). Based on the above results, we have adapted both the architecture and the communication protocol for this particular type of network, whose use has been growing hugely in recent years.[ES] Esta tesis doctoral aborda el problema de la distribución de contenidos multimedia a través de redes inalámbricas ad hoc multisalto, especialmente las redes inalámbricas de sensores que, debido a sus características de bajo consumo energético, baja capacidad de procesamiento y baja capacidad de memoria, plantean grandes dificultades para alcanzar los niveles de calidad óptimos que exigen los usuarios finales en dicho tipo de comunicaciones. En la primera parte de este trabajo se ha llevado a cabo un estudio para determinar el comportamiento de una gran variedad de flujos multimedia y como se ven afectados por las condiciones de la red cuando son transmitidos a través topologías formadas por dispositivos de diferentes tecnologías que se comunican en modo ad hoc multisalto inalámbrico. Para ello, se han realizado pruebas experimentales sobre una maqueta de laboratorio, combinando los principales códecs empleados en la transmisión de audio y video a través de redes IP con diversas capturas de sonido y video que representan patrones característicos de servicios multimedia tales como las llamadas telefónicas, videoconferencias, IPTV o video bajo demanda (VOD). Con la información reunida en el laboratorio se ha podido establecer la correlación entre los cambios inducidos en la topología física y lógica de la red con los parámetros que miden la calidad de servicio (QoS) de una transmisión multimedia, tales como la latencia el jitter o la pérdida de paquetes. En esta fase de la investigación se realiza un estudio para determinar el estado del arte de las propuestas de desarrollo e implementación de protocolos y algoritmos que se han generado de forma explícita para optimizar la transmisión de tráfico multimedia sobre redes ad hoc inalámbricas, especialmente en las redes inalámbricas de sensores y redes ad hoc utilizando clústeres de nodos distribuidos en un espacio geográfico. El siguiente paso en la investigación ha consistido en el desarrollo de un algoritmo propio para la organización lógica de clústeres formados por nodos capaces de adaptarse a las circunstancias del tráfico en tiempo real. El objetivo planteado es conseguir un aprovechamiento máximo de los recursos ofrecidos por el conjunto de nodos que forman la red, permitiendo de forma simultánea el envío de todo tipo de contenidos a través de ellos de forma confiable y eficiente, permitiendo la convivencia de tráfico de datos IP convencional con tráfico multimedia con requisitos exigentes de QoS y QoE. A partir de la información conseguida en la fase anterior, se ha desarrollado una arquitectura de red que mejora el rendimiento general de la red y el de las transmisiones multimedia de audio y video en particular. De forma paralela, se ha diseñado y programado un protocolo de comunicación que permite implementar el modelo y testear su funcionamiento sobre infraestructuras de red reales. En la última fase de esta tesis se ha dirigido la atención hacia la transmisión multimedia en las redes de sensores inalámbricos (WSN). Partiendo de los resultados anteriores, se ha adaptado tanto la arquitectura como el protocolo de comunicaciones para este tipo concreto de red, cuyo uso se ha extendido en los últimos años de forma considerable[CA] Esta tesi doctoral aborda el problema de la distribució de continguts multimèdia a través de xarxes sense fil ad hoc multi salt, especialment les xarxes sense fil de sensors que, a causa de les seues característiques de baix consum energètic, baixa capacitat de processament i baixa capacitat de memòria, plantegen grans dificultats per a aconseguir els nivells de qualitat òptims que exigixen els usuaris finals en eixos tipus de comunicacions. En la primera part d'este treball s'ha dut a terme un estudi per a determinar el comportament d'una gran varietat de fluxos multimèdia i com es veuen afectats per les condicions de la xarxa quan són transmesos a través topologies formades per dispositius de diferents tecnologies que es comuniquen en mode ad hoc multi salt sense fil. Per a això, s'han realitzat proves experimentals sobre una maqueta de laboratori, combinant els principals códecs empleats en la transmissió d'àudio i vídeo a través de xarxes IP amb diverses captures de so i vídeo que representen patrons característics de serveis multimèdia com son les cridades telefòniques, videoconferències, IPTV o vídeo baix demanda (VOD). Amb la informació reunida en el laboratori s'ha pogut establir la correlació entre els canvis induïts en la topologia física i lògica de la xarxa amb els paràmetres que mesuren la qualitat de servei (QoS) d'una transmissió multimèdia, com la latència el jitter o la pèrdua de paquets. En esta fase de la investigació es realitza un estudi per a determinar l'estat de l'art de les propostes de desenvolupament i implementació de protocols i algoritmes que s'han generat de forma explícita per a optimitzar la transmissió de tràfic multimèdia sobre xarxes ad hoc sense fil, especialment en les xarxes sense fil de sensors and xarxes ad hoc utilitzant clusters de nodes distribuïts en un espai geogràfic. El següent pas en la investigació ha consistit en el desenvolupament d'un algoritme propi per a l'organització lògica de clusters formats per nodes capaços d'adaptar-se a les circumstàncies del tràfic en temps real. L'objectiu plantejat és aconseguir un aprofitament màxim dels recursos oferits pel conjunt de nodes que formen la xarxa, permetent de forma simultània l'enviament de qualsevol tipus de continguts a través d'ells de forma confiable i eficient, permetent la convivència de tràfic de dades IP convencional amb tràfic multimèdia amb requisits exigents de QoS i QoE. A partir de la informació aconseguida en la fase anterior, s'ha desenvolupat una arquitectura de xarxa que millora el rendiment general de la xarxa i el de les transmissions multimèdia d'àudio i vídeo en particular. De forma paral¿lela, s'ha dissenyat i programat un protocol de comunicació que permet implementar el model i testejar el seu funcionament sobre infraestructures de xarxa reals. En l'última fase d'esta tesi s'ha dirigit l'atenció cap a la transmissió multimèdia en les xarxes de sensors sense fil (WSN). Partint dels resultats anteriors, s'ha adaptat tant l'arquitectura com el protocol de comunicacions per a aquest tipus concret de xarxa, l'ús del qual s'ha estés en els últims anys de forma considerable.Díaz Santos, JR. (2016). Design and Implementation of a Communication Protocol to Improve Multimedia QoS and QoE in Wireless Ad Hoc Networks [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/62162TESI

Study of Requirements and Design of Sensors for Monitoring Water Quality and Feeding Process in Fish Farms and Other Environments

Se están realizando muchos esfuerzos en la acuicultura para alcanzar la sostenibilidad, sin embargo aún está lejos de ser sostenible. Sus impactos sobre el medio ambiente pueden prevenirse y corregirse mediante el uso de sensores, desarrollando la conocida como acuicultura de precisión. La calidad del agua afecta el rendimiento de los peces. La temperatura y la salinidad son algunos factores que afectan al crecimiento de los peces. Sin embargo, otros factores como la turbidez, el fotoperíodo y el oxígeno disuelto entre otros pueden afectar a las necesidades nutritivas de los peces. Ajustar la cantidad de alimento necesario es crucial para garantizar la sostenibilidad de la acuicultura y para aumentar el beneficio económico de las instalaciones. Al monitorear la calidad del agua, es posible estimar las necesidades de alimentación. Sin embargo, no es suficiente. El monitoreo del comportamiento de los peces, especialmente durante el período de alimentación, puede ayudar a adaptar el alimento proporcionado. Entonces, si está tan claro que el monitoreo puede ayudar a la producción acuícola, ¿por qué no vemos este sistema de monitoreo en las instalaciones acuícolas? ¿Por qué en la mayoría de las instalaciones la alimentación se da manualmente sin considerar el comportamiento de alimentación de los peces? El precio de los sensores para monitorizar las piscifactorías es extremadamente alto. Los sensores empleados son, en la mayoría de los casos, los mismos que se utilizan para la oceanografía. Los sistemas propuestos en la literatura cubren pocos parámetros de calidad del agua y generalmente no consideran el comportamiento de alimentación de los peces. Son necesarios sensores de bajo costo adecuados para la monitorización de la acuicultura. Esos sensores deben ser de bajo costo, bajo consumo de energía, fáciles de usar y con la posibilidad de incluirlos en una red para enviar los datos. Por lo tanto, podremos utilizar esta red de sensores y sensores para controlar la actividad, enviar alarmas si es necesario y automatizar los procesos. Además, si incluimos Internet, los datos se pueden ver de forma remota. El uso de esos sensores puede ayudar a la producción acuícola. En esta tesis mostramos el estudio de los requisitos y el diseño de sensores para monitorizar la calidad del agua y el proceso de alimentación en piscifactorías y otros entornos. Primero estudiamos en detalle los requisitos de los sensores en acuicultura. Luego mostramos el estado del arte de los sensores actuales para el monitoreo de la calidad del agua y para el monitoreo de la acuicultura. A continuación, presentamos el diseño y desarrollo de nuestros propios sensores de bajo costo y su aplicación en instalaciones de piscifactorías con sistema abierto y sistema de recirculación. Además, mostramos la posibilidad de monitorizar hasta 10 parámetros incluyendo calidad del agua (temperatura, salinidad, turbidez y presencia de hidrocarburo / capa de aceite), ambiente del tanque (nivel de agua, iluminación, presencia de trabajadores) y comportamiento de alimentación de peces (profundidad de natación de bajura, estimación de los cambios en la velocidad de nado de bajíos y la caída de alimento). El sistema propuesto, capaz de monitorear todos estos parámetros, tiene un bajo coste y bajo consumo de energía. El precio estimado es inferior a 100 € por tanque. Además, mostramos el uso de algunos de los sensores antes mencionados para el ajuste automático del proceso de alimentación de peces. Finalmente, mostramos como algunos de los sensores desarrollados se utilizan en otras áreas acuáticas naturales como manglares y estuarios. Además, se presenta un sistema inteligente para monitorear y rastrear la contaminación en los cuerpos de agua.There are many efforts done in the aquaculture to reach its sustainability, although in reality, it is far from being sustainable. Its negative impacts on the environment can be prevented and corrected by the use of sensors, developing precision aquaculture. The water quality affects to the fish performance. The temperature and salinity are some factors that affect to the fish growth. Nevertheless, other factors such as turbidity, photoperiod and dissolved oxygen among other can affect to the fish feeding needs. To adjust the amount of feed needed is crucial to ensure the sustainability of the aquaculture and to increase the economic profit of the facilities. Monitoring the water quality allows estimating the feed needs. However, it is not enough. To monitor the fish behavior, especially during the feeding period can help to adapt the provided feed. Then, if it is so clear that the monitoring can help to the aquaculture production, why we do not see this monitoring systems in the aquaculture facilities? Why in most of the facilities the feed is given manually without considering the fish feeding behavior? Nevertheless, the current price of the sensors for monitoring the fish farms is extremely high. The employed sensors are in most of the cases, the same that are used for oceanography. The proposed systems in the literature only cover some water quality parameters and usually do not consider fish feeding behavior. It is need low-cost sensors suitable for aquaculture monitoring. Those sensors must also be low-energy consumption, easy to use and with the option to include them in a network in order to send the data. Thus, we can use these sensors and sensors network to monitor the activity, to send alarms if it is necessary and to automatize processes. Moreover, including Internet, the data can be seen remotely. The use of those sensors can help to the aquaculture production. In this thesis, we show the study of requirements and design of sensors for monitoring water quality and feeding process in fish farms and other environments. First, we study in detail the requirements of sensors in aquaculture. Then, we show the state of the art of the current sensors for water quality monitoring and for aquaculture monitoring. Following, we present the design and development of some low-cost sensors and their applications in fish farm facilities with open system and recirculating system. Moreover we show a complete system which monitors up to 10 parameters including water quality (temperature, salinity, turbidity and presence of hydrocarbon/oil layer), tank environment (water level, illumination, presence of workers), and fish feeding behavior (shoal swimming depth, estimation of changes on shoal swimming velocity and feed falling). Moreover, it accomplishes the features of low-cost and low energy consumption. The estimated price for proposed system is less than 100€ per tank. In addition, we show the use of some of the aforementioned sensors for automatic adjustment of fish feeding process. Finally, some of the developed sensors are plied in other natural aquatic areas such as mangroves, and estuaries. Moreover, an intelligent system for pollution monitoring and tracking in water bodies are presented.S'estan realitzant molts esforços en l'aqüicultura per assolir la sostenibilitat, malgrat això, encara està lluny de ser sostenible. Els seus impactes sobre el medi ambient es poden prevenir i corregir mitjançant l'ús de sensors, desenvolupant la coneguda com a aqüicultura de precisió. La qualitat de l'aigua afecta el rendiment dels peixos. La temperatura i la salinitat són alguns factors que afecten el creixement dels peixos. A més a més, altres factors com la terbolesa, el fotoperíode i l'oli dissolt entre uns altres poden afectar a les necessitats nutritives dels peixos. Ajustar la quantitat d'aliment necessari és crucial per garantir la sostenibilitat de l'aqüicultura i per augmentar el benefici econòmic de les instal·lacions. Al monitoritzar la qualitat de l'aigua, és possible estimar les necessitats d'alimentació. No obstant això, no és suficient. Monitoritzar el comportament dels peixos, especialment durant el període d'alimentació, pot ajudar a adaptar el subministrament alimentari. Aleshores, si es tan clar que el monitoratge pot ajudar a la producció aqüícola, per què no veiem aquest sistema de monitoratge en les instal·lacions aquàtiques? Per què a la majoria de les instal·lacions la alimentació es dóna manualment sense considerar el comportament alimentari dels peixos? El preu dels sensors per controlar les piscifactories és extremadament alt. Els sensors empleats són, en la majoria dels casos, els mateixos que es fan servir per a l'oceanografia. Els sistemes proposats en la literatura monitoritzen pocs paràmetres de qualitat de l'aigua i generalment no consideren el comportament dels peixos durant l'alimentació. Són necessaris sensors de baix cost adequats per a la monitorització de l'aqüicultura. Aquests sensors han de ser de baix cost, baix consum d'energia, senzills d'usar i amb la possibilitat d'incloure'ls en una xarxa per enviar-los. Per tant, podrem utilitzar aquesta xarxa de sensors i sensors per controlar l'activitat, enviar alarmes si és necessari i automatitzar els processos. A més, si incloem Internet, les dades es podran veure de forma remota. L'ús d'aquests sensors pot ajudar a la producció aqüícola. En aquesta tesi es mostra l'estudi dels requisits i el disseny de sensors per a monitoritzar la qualitat de l'aigua i el procés d'alimentació en piscifactories i altres entorns. Primer, estudiem en detall els requisits dels sensors en aqüicultura. A continuació, es mostra el estat de l'art dels sensors actuals per al monitoratge de la qualitat de l'aigua i per al monitoratge de l'aqüicultura. A continuació, presentem el disseny i desenvolupament dels nostres propis sensors de baix cost i la seva aplicació en instal·lacions d'aqüicultura amb sistema obert i sistema de recirculació. A més, mostrem la possibilitat de monitoritzar fins a 10 paràmetres, incloent-hi la qualitat de l'aigua (temperatura, salinitat, terbolesa i presència d'hidrocarburs / capa d'oli), ambient del tanc (nivell d'aigua, il·luminació, presència de treballadors) i alimentació del consum de peces (profunditat de natació de baix, estimació dels canvis en la velocitat de naixement de baixos i la caiguda d'aliment). El sistema proposat, capaç de controlar tots aquests paràmetres, té un baix cost i baix consum d'energia. El preu estimat és inferior a 100 € per tanc. A més, mostrem l'ús d'alguns dels sensors abans esmentats per a l'ajust automàtic del procés d'alimentació de peces. Finalment, mostrem com alguns dels sensors desenvolupats es fan servir en altres àrees aquàtiques naturals com manglars i estuaris. A més, es presenta un sistema intel·ligent per monitoritzar i rastrejar la contaminació en els cossos d'aigua.Parra Boronat, L. (2018). Study of Requirements and Design of Sensors for Monitoring Water Quality and Feeding Process in Fish Farms and Other Environments [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/106369TESI