Design and implementation of flood monitoring and warning system based on internet of things

Floods are unavoidable phenomena that can cause massive loss of people's lives and the destruction of infrastructure. Flash floods rise rapidly in a flood-prone area, which results in property damage, but the impact on human lives is somewhat preventable by the presence of monitoring systems. Although there are many systems widely in practice by disaster management agencies in monitoring flood levels, most of these systems are limited in range. For example, some systems implementing the Long-Range Wide Area Network (LoRaWAN) have a maximum distance of 300m from the gateway. However, the maximum distance that LoRaWAN can reach is 1.5km. Then, the study on the parameter that involved in LoRaWAN for the Flood Monitoring and Warning System (FMWS) is limited. Furthermore, in most developing countries, the conventional flood gates in water canals are manually operated and suffer from the lack of real-time monitoring of water levels which might lead to an overflow in the channels and flash floods. On top of that, the lack of real-time data analysis in the system that can be accessed is one of the limitations in Malaysia. Therefore, this research design and implementation multiple LoRa-based smart sensors with a LoRaWAN gateway as a network testbed for monitoring flood levels and evaluating the parameter of LoRaWAN. Then, the LoRaWAN’s activation was compared and analysed to identify the best activation for the FMWS. Lastly, the real-time assessment of the risk due to the flood level has been enabled on the Tago.IO dashboard for triggering an early flood warning. The proposed FMWS with LoRaWAN uses an ultrasonic sensor with an Arduino microcontroller to measure water level, Long-Range (LoRa) as a communication module, and a single gateway. The end nodes have been tested in several scenarios to test the FMWS’s communication performance in terms of Received Signal Strength Indication (RSSI), Signal Noise Ratio (SNR), delay, and the Percentages of Data Received (PDR). The design of the sensing node involved the hardware and software with the solar panel as the power source. A 3 Dimension (3D) model for the end node was developed for casing the sensing node. The testing area for testing the performance of LoRaWAN is a 2km radius. Throughout the testing, the proposed system communicates up to 2km in single and multiple node cases. On top of that, the multiple nodes have higher overall SNR value compared to the single node where 56% of all result are positive for multiple nodes while the single node exhibit only 50%. In addition, the RSSI and SNR have impact on the PDR. However, the delay inversely perorational with RSSI, SNR and PDR values. The recommended activation for FMWS is Activation By-Personalization, (ABP) since it is over complete control, especially for achieving a high PDR. Lastly, the data on Tago.IO was accessed via webpages and Tago.IO mobile application. In conclusion, the FMWS able to communicate to the gateway at 1.5km distance. However, the higher the SF, the higher the network's performance at long distances. The ABP is the activation that is suitable for the proposed FMWS. Lastly, the warning system will trigger once the water level reaches the warning level

Representación formal de mejores prácticas de IoT con base en los elementos del núcleo de la Esencia SEMAT

Internet de las Cosas (IoT) es una tecnología que consta de una serie de entidades interconectadas (objetos físicos inteligentes, servicios y sistemas de software) que trabajan de manera coordinada. Con ellas se busca simplificar y mejorar la eficiencia de los procesos buscando una mejor calidad de vida para las personas. En la literatura especializada se encontró que existen prácticas para desarrollar sistemas IoT que utilizan modelos monolíticos de Ingeniería de Software y que no son fáciles de implementar. Es necesario plantear una base común a través de una representación explícita que permita abarcar todas las problemáticas que puedan resultar al tratar de implementar estas prácticas. El objetivo de este proyecto es formalizar algunas de las mejores prácticas de IoT utilizando la extracción terminológica y teniendo como base de representación el núcleo de la Esencia de SEMAT (Software Engineering Method and Theory), el cual permite describir una base común liberando a las prácticas de las limitaciones de los métodos monolíticos. Esto permitirá a los equipos de implementación de sistemas IoT visualizar el progreso de las actividades independientemente de los métodos de trabajo, también permitirá compartir, adaptar, conectar y reproducir prácticas para crear nuevas formas de trabajo que ayudará a los desarrolladores a reutilizar sus conocimientos de forma sistemática y a los ejecutivos a dirigir programas y proyectos IoT con una mejor calidad que permitan reducir costos.Internet of Things (IoT) is a technology that consists of a series of interconnected entities (intelligent physical objects, services and software systems) that work in a coordinated manner. They seek to simplify and improve the efficiency of processes seeking a better quality of life for people. In the specialized literature, it was found that there are practices to develop IoT systems that use monolithic Software Engineering models and that are not easy to implement. It is necessary to establish a common base through a clean representation that allows covering all the problems that may result when trying to implement these practices. The objective of this project is to formalize some of the best practices of IoT using terminological extraction and having as a basis of representation the core of the Essence of SEMAT (Software Engineering Method and Theory) which allows to describe a common base freeing the practices of the limitations of monolithic methods. This will allow IoT system implementation teams to visualize the progress of activities regardless of work methods, it will also allow sharing, adapting, connecting and reproducing practices to create new ways of working that will help developers to systematically reuse their knowledge in a new way and executives to direct IoT programs and projects with better quality that reduce costs.MaestríaMagíster en Ingeniería de Sistemas y ComputaciónTabla de Contenido Pág. Resumen....................................................................................................................................... 16 Abstract........................................................................................................................................ 17 Introducción ................................................................................................................................ 18 Capítulo I: Marco Teórico ......................................................................................................... 21 1.1. Internet de las Cosas (IoT)..................................................................................................... 21 1.1.1. Arquitectura IoT.................................................................................................................. 21 1.1.1.1. Capa de percepción.......................................................................................................... 21 1.1.1.2. Capa de red ...................................................................................................................... 21 1.1.1.3. Capa de aplicación ........................................................................................................... 22 1.1.2. Aplicaciones de IoT............................................................................................................ 22 1.2. Ingeniería de Software ........................................................................................................... 22 1.2.1. Núcleo de la Esencia de SEMAT........................................................................................ 22 1.2.1.1. Elementos del Núcleo de la Esencia de SEMAT............................................................. 23 1.3. Buenas Prácticas .................................................................................................................... 29 1.3.1. Nombramiento correcto de buenas prácticas...................................................................... 29 1.4. Procesamiento del Lenguaje Natural (PLN).......................................................................... 31 1.4.1. Extracción Terminológica................................................................................................... 31 1.5. Revisión Sistemática de Literatura (RSL) ............................................................................. 33 1.6. Mapeo Sistemático de Literatura (MSL) ............................................................................... 33 1.7. Grupos focales ....................................................................................................................... 34 Capítulo II: Estado del Arte ...................................................................................................... 35 Capítulo III: Planteamiento del Problema y Objetivos........................................................... 38 3.1. Descripción del Problema ...................................................................................................... 38 7 3.2. Formulación del Problema..................................................................................................... 38 3.3. Justificación ........................................................................................................................... 39 3.4. Objetivos................................................................................................................................ 41 3.4.1. Objetivo General................................................................................................................. 41 3.4.2. Objetivos Específicos.......................................................................................................... 41 Capítulo IV: Metodología .......................................................................................................... 42 4.1. Revisión Sistemática de Literatura (RSL) ............................................................................. 42 4.1.1. Planeación........................................................................................................................... 42 4.1.1.1. Definición de las Preguntas de la Investigación .............................................................. 43 4.1.2. Búsqueda Primaria .............................................................................................................. 43 4.1.2.1. Especificación del Tipo de Búsqueda .............................................................................. 43 4.1.2.2. Selección de las Fuentes de Información......................................................................... 44 4.1.2.3. Definición de las Cadenas de Búsqueda .......................................................................... 44 4.1.3. Selección Preliminar........................................................................................................... 44 4.1.3.1. Eliminación de Documentos Irrelevantes........................................................................ 44 4.1.3.2. Eliminación de Documentos Duplicados......................................................................... 44 4.1.4. Selección............................................................................................................................. 45 4.1.4.1. Definición de criterios de inclusión ................................................................................. 45 4.1.4.2. Definición de criterios de exclusión ................................................................................ 45 4.1.5. Extracción de Datos............................................................................................................ 45 4.1.5.1. Definición de Criterios de Calidad .................................................................................. 45 4.1.5.2. Extracción de Datos de cada Documento ........................................................................ 45 4.1.6. Análisis ............................................................................................................................... 45 4.2. Relación de los Componentes de Mejores Prácticas en IoT con los elementos del núcleo de la Esencia ..................................................................................................................................... 45 8 4.2.1. Selección de algunas de las Mejores Prácticas en IoT........................................................ 46 4.2.2. Construcción del Vocabulario de Términos de IoT............................................................ 46 4.2.2.1. Mapeo Sistemático de Literatura (MSL) ......................................................................... 46 4.2.2.2. Construcción del Extractor Automático de Términos ..................................................... 48 4.2.2.3. Validación del Extractor Automático de Términos......................................................... 48 4.2.2.4. Extracción del Vocabulario con el Extractor Automático de Términos.......................... 49 4.2.3. Selección de los Nombres para Mejores Prácticas en IoT.................................................. 49 4.2.4. Tabulación de Componentes de Prácticas IoT con Elementos del Núcleo de la Esencia... 49 4.3. Modelado de Mejores Prácticas en IoT con el Núcleo de la Esencia .................................... 49 4.4. Validación de los Modelos de Mejores Prácticas en IoT....................................................... 51 4.4.1. Planeación del Grupo Focal................................................................................................ 51 4.4.2. Desarrollo del Grupo Focal................................................................................................. 52 4.4.3. Análisis de Datos y Reporte de Resultados ........................................................................ 53 Capítulo V: Desarrollo de la Tesis............................................................................................. 54 5.1. Revisión Sistemática de Literatura (RSL) en IoT.................................................................. 54 5.1.1. Conclusiones de la Revisión Sistemática de Literatura ...................................................... 55 5.2. Relación de los Componentes de Mejores Prácticas en IoT con los elementos del núcleo de la Esencia ...................................................................................................................................... 57 5.2.1. Selección de algunas de las Mejores Prácticas en IoT........................................................ 57 5.2.2. Construcción del Vocabulario de Términos de IoT............................................................ 58 5.2.2.1. Mapeo Sistemático de Literatura (MSL) ......................................................................... 59 5.2.2.2. Construcción del Extractor Automático de Términos ..................................................... 72 5.2.2.3. Validación del Extractor Automático de Términos......................................................... 88 5.2.2.4. Extracción del Vocabulario con el Extractor Automático de Términos.......................... 89 5.2.3. Selección de los Nombres para Mejores Prácticas en IoT.................................................. 89 9 5.2.4. Tabulación de Componentes de Prácticas IoT con el Núcleo de la Esencia ...................... 90 5.3. Modelado de Mejores Prácticas en IoT con el Núcleo de la Esencia .................................. 100 5.4. Validación de los Modelos de Mejores Prácticas en IoT..................................................... 110 5.4.1. Planeación del Grupo Focal.............................................................................................. 110 5.4.1.1. Definición del Objetivo.................................................................................................. 110 5.4.1.2. Identificación de los Participantes................................................................................. 111 5.4.1.3. Programación de la Reunión.......................................................................................... 111 5.4.1.4. Preparación de los Materiales del Grupo Focal ............................................................. 111 5.4.1.5. Enviar Recordatorio a los Participantes......................................................................... 112 5.4.2. Desarrollo del Grupo Focal............................................................................................... 112 5.4.2.1. Presentación de los Participantes................................................................................... 112 5.4.2.2. Grabación de la Reunión................................................................................................ 112 5.4.2.3. Entrega de Materiales .................................................................................................... 112 5.4.2.4. Presentación del Grupo Focal ........................................................................................ 113 5.4.2.5. Discusión y Evaluación de los Modelos........................................................................ 113 5.4.2.6. Finalización de la Reunión............................................................................................. 113 5.4.3. Análisis de Datos y Reporte de Resultados ...................................................................... 113 5.4.3.1. Resultados de Validación de la Práctica 1 ..................................................................... 113 5.4.3.2. Resultados de Validación de la Práctica 2 ..................................................................... 114 5.4.3.3. Resultados de Validación de la Práctica 3 ..................................................................... 114 5.4.3.4. Resultados de Validación de la Práctica 4 ..................................................................... 115 5.4.3.5. Resultados de Validación de la Práctica 5 ..................................................................... 115 5.4.3.6. Resultados de Validación de la Práctica 6 ..................................................................... 116 5.4.3.7. Resultados de Validación de la Práctica 7 ..................................................................... 116 10 5.4.3.8. Resultados de Validación de la Práctica 8 ..................................................................... 117 5.4.3.9. Resultados de Validación de la Práctica 9 ..................................................................... 117 5.4.3.10. Resultados de Validación de la Práctica 10 ................................................................. 118 5.4.3.11. Conclusiones de la Validación de los Modelos ........................................................... 118 Capítulo VI: Conclusiones y Trabajo Futuro ........................................................................ 120 6.1. Conclusiones........................................................................................................................ 120 6.2. Cumplimiento de Objetivos................................................................................................. 121 6.3. Trabajos Futuros .................................................................................................................. 124 Referencias ................................................................................................................................ 125 Anexos........................................................................................................................................ 15