Fusão de dados paralela em redes de sensores sem fio densas utilizando algoritmo genético

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-graduação em Engenharia de Automação e SistemasRedes de sensores sem fio são redes que possuem severas restrições computacionais. Após a implantação dessas redes no ambiente, ainda existe o problema de auto-configuração e auto-gerenciamento em virtude da necessidade que se tem dessas redes serem autônomas. Conciliar as restrições computacionais bem como a gerência da estrutura dinâmica dessas redes é uma tarefa difícil. O presente trabalho aborda o uso de algoritmo genético para atingir a auto-configuração e auto-otimização em redes de sensores sem fio densas. Duas abordagens de algoritmo genético foram implementadas e simuladas. Essas abordagens atuam em um nodo central, o qual não possui restrições de recursos. Este nodo é responsável por gerenciar os demais nodos da rede. O objetivo final é reduzir as perdas de mensagens, e melhorar a qualidade dos dados coletados. Como conseqüência, consegue-se aumentar a eficiência energética da rede. Os resultados das simulações demonstraram a viabilidade dessa abordagem. There is a considerable computational limitation for running Wireless Sensor network. After its implantation into an environment, those networks still expose problems to be solve, e.g. autonomic self-configuring and self-management issues. Therefore, conciliating computational restrictions and networks structure management is a challenge. The present work concerns the use of genetic algorithm to obtain self-configuring and self-optimization goals in dense wireless networks sensors. Two genetic algorithms approaches were implemented and simulated. Those approaches ran into a non resource-constrained central node. This node was the responsible to manage every other node at the networks. The main objective was to reduce the lost of messages, and also improve the quality of the collected data. As consequence, the energetic efficiency of the network meant to be increased. As results of simulations it was demonstrated that this approach is viable

Um estudo sobre redes de sensores sem fio

This work aims to study wireless sensor networks and its behavior, pointing out its attributes, application areas and challenges. Are dealt with issues relating to communication, standards used, applications, showing the potential of wireless sensor networks. It is also presented the main differences and similarities between ad-hoc and wireless sensor networks.Esse trabalho tem como objetivo estudar as redes de sensores sem fio e seu comportamento, apontando seus atributos, áreas de aplicação e desafios. São tratadas questões relativas à comunicação, padrões utilizados, aplicação dos sensores, mostrando o potencial das redes de sensores sem fio. Também são apresentadas as diferenças e semelhanças que as redes de sensores sem fio possuem com as redes não estruturadas

Estratégias para uso de redes industriais sem fio do tipo TSCH em aplicações de mobilidade

A utilização de redes sem fio para aplicações industriais surge como uma alternativa para os sistemas cabeados por apresentarem características como flexibilidade de ampliação ou atualização de dispositivos na rede e facilidade de instalação e manutenção. Protocolos de comunicação para redes sem fio industriais, como WirelessHART, foram desenvolvidos para atender a requisitos de operação do setor industrial garantindo entrega de mensagens em tempo real, segurança e confiabilidade. O protocolo WirelessHART foi desenvolvido para atender aplicações de automação de processos, onde as variáveis do processo são alteradas de forma lenta. Quando inseridos elementos de alta dinamicidade, como a presença de dispositivos móveis ou intermitentes, como nos processos de automação fabril, há um impacto negativo no desempenho destas redes devido à rápida mudança de topologia que não é prevista neste protocolo, e que resultam na redução da taxa de sucesso de transmissões. Dentro deste contexto, este trabalho apresenta a análise dos requisitos e a implementação de dispositivos móveis ou intermitentes e gerenciadores de rede em conformidade com a técnica TSCH (Time Synchronized Channel Hopping), como a empregada no WirelessHART. São propostas modificações em procedimentos do protocolo utilizado como base, visando fornecer o suporte a dispositivos móveis que incluem técnicas para agilizar o processo de conexão e desconexão e manter a conectividade do dispositivo enquanto ele se movimenta pela área de cobertura da rede. Os resultados revelam a viabilidade das técnicas propostas, porém, em detrimento de algumas características fundamentais, tais como segurança e baixo consumo de energia. Para mitigar os problemas gerados, são apresentadas propostas a serem implementadas em trabalhos futuros.The use of wireless networks for industrial applications appears as an alternative for wired systems due to its characteristics such as flexibility to add or remove devices on the network and ease of maintenance and installation. Communication protocols for industrial wireless networks, such as WirelessHART, were developed to meet the operating requirements of the industrial sector ensuring real-time communications, security and reliability. The WirelessHART protocol was developed to operate in process automation applications, where process variables are changed slowly. When high dynamics elements are inserted in these networks, such as the presence of mobile or intermittent devices, as seen in factory automation processes, there is a negative impact on the performance of these networks due to the fast topology change that is not supported in this protocol, resulting in the reduction of success rate of transmissions. In this context, this work presents the analysis of requirements and the implementation of mobile or intermittent devices and network managers in accordance with the TSCH (Time Synchronized Channel Hopping) technique, which is used in WirelessHART. Modifications to the procedures of the protocol used as a basis are proposed, aiming to provide support for mobile devices including techniques to reduce time in processes as connection and disconnection and maintain the connectivity of the device while it moves through the network coverage area. The results show the feasibility of the proposed techniques, however, to the detriment of some fundamental characteristics, such as safety and low energy consumption. In order to mitigate the problems generated, proposals are presented to be implemented in future works

Abordagens autonômicas para qualidade de serviço da comunicação em redes de sensores sem fio densas com requisitos temporais

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2010Em Redes de Sensores Sem Fio (RSSF), a fusão de dados com restrições temporais pode ser utilizada para gerar visões globais da rede e ainda compensar a baixa confiabilidade individual dos nodos. Entretanto, os nodos de uma rede com grande quantidade de nodos devem ser capazes de se auto-otimizar e auto-organizar sem a interferência de operadores humanos. Nesta tese, apresentamos diversas abordagens autonômicas para garantia de QoS em RSSF com aplicações de fusão de dados com restrições temporais. As abordagens foram validadas através de simulações utilizando TrueTime e testes em protótipos de RSSF. Uma das abordagens autonômicas utiliza algoritmo de aprendizado de máquina baseado em algoritmos genéticos. Esses algoritmos são inspirados na teoria da seleção natural e conseguem otimizar parâmetros como a eficiência da comunicação mesmo em problemas de otimização multi-objetivo. Abordagens autonômicas cientes de energia, assim como abordagens autonômicas mais simples, são também apresentadas. Uma vez que nossas abordagens foram modeladas para atuar na camada de aplicação de dispositivos compatíveis com o padrão IEEE 802.15.4, tornam-se de fácil implementação em dispositivos disponíveis comercialmente. As abordagens apresentadas mostraram um desempenho bem superior ao desempenho do protocolo IEEE 802.15.4

Sistema para o transporte público urbano baseado no conceito de smart city

TCC (graduação) - Universidade Federal de Santa Catarina. Campus Araranguá. Tecnologias da Informação e ComunicaçãoDevido ao processo de urbanização, a população das grandes cidades cresce a cada ano. Paralelo a isso, também cresce o desafio de manter os cidadãos dessas cidades satisfeitos com os serviços públicos. Um dos serviços que mais sofrem com o aumento populacional das cidades é o transporte público. Parte considerável da população nas grandes cidades depende do transporte público para trabalhar, fazendo com que este seja um dos serviços mais críticos. Para resolver este problema, a qualidade do serviço deve ser melhorada ao ponto de as pessoas ficarem satisfeitas ao utilizá-lo. Neste contexto, o conceito de uma Smart City visa promover satisfação e bem-estar às pessoas. Utilizando o paradigma da Internet das Coisas, a função de uma Smart City reside na entrega de serviços públicos mais inteligentes para seus cidadãos. Um dos componentes de uma Smart City é o Smart Mobility, que foca na satisfação da pessoa com o transporte público da cidade. Baseado nesses conceitos foi desenvolvido neste trabalho um protótipo de um sistema que utiliza sensores sem fio disponíveis em paradas de ônibus e no próprio ônibus para fazer o cálculo de tempo entre paradas, proporcionando aos usuários uma estimativa em tempo real entre uma parada inicial e uma parada final. Os valores dos tempos calculados ficam disponíveis para outros usuários em tempo real, possibilitando a obtenção de uma média de determinada rota. Além disso, os sensores foram utilizados para detectar a presença do usuário e enviar notificações sobre informações de uma determinada parada e horários das linhas de ônibus. Pode-se concluir que os resultados obtidos com este trabalho foram adequados, tanto no cálculo dos tempos médios quando nas notificações aos usuários sobre paradas, horários e rotas

MASiM: uma ferramenta para simulação de agentes móveis em redes de sensores sem fio

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-graduação em Engenharia de Automação e Sistema, Florianópolis, 2009Agentes móveis são componentes de softwares autônomos capazes de se mover carregando consigo, além do seu código, o seu estado de execução. Recentemente, vem sendo proposto o uso deste tipo de agentes em Redes de Sensores Sem Fio (RSSF). Além da facilidade da reprogramação dinâmica do código que executa nos nodos, o uso de agentes pode, em determinados cenários, economizar energia e prolongar o tempo de vida da rede. Devido à carência de ferramentas próprias para simulação de aplicações baseadas em agentes móveis em RSSF, este trabalho propõe uma ferramenta com este objetivo denominada de MASiM (Mobile Agents Simulator in Wireless Sensor Network). A ferramenta proposta foi desenvolvida usando linguagem de programação C++ MEX e estende os toolboxes Simulink e TrueTime do MATLAB. A utilização da ferramenta é demonstrada no trabalho através do desenvolvimento de diversos cenários. Além disso, usando essa ferramenta, é realizada uma breve comparação de protocolos baseados em agentes com protocolos baseados em difusão de mensagens

Tecnologia de redes sensores: características e estudo de caso

Study the technology of sensor networks, so that the sensors, their characteristics, operation and safety requirements. After that, a description about the areas of applications where used the network of sensors. Within these areas were chosen "points to" the project, to elucidate the strengths of the sensor network. Evolutions, technology, reduced cost and convenience are some of the features of the sensor network reported that this project.Estudar a tecnologia de Rede de Sensores, o que são sensores, suas características, funcionamento e requisitos de segurança. Logo após serão descritas as áreas de aplicação onde são. Dentro destas áreas, foram escolhidos “pontos de ação” do projeto, para elucidar pontos fortes da rede de sensores. Principais evoluções, tecnologia, redução de custos e comodidade são algumas das características da rede de sensores que será relatado neste projeto

Análise de redes de comunicação sem fio para aplicações industriais

TCC(graduação) - Universidade Federal de Santa Catarina. Centro Tecnológico. Engenharia Eletrônica.A automação de processos industriais com redes sem fio tem recebido grande atenção e interesse nos últimos anos devido às suas vantagens de baixo custo e alta flexibilidade sobre as redes com fio tradicionais. Redes de sensores sem fio industrial tem um grande potencial para melhorar o monitoramento e controle de vários processos e equipamentos em automação distribuída e sistemas por causa dos avanços em redes sem fio. Este trabalho discute diversas tecnologias para aplicação na indústria, desde monitoramento, controle de processos e transferência de dados. São descritas e explicadas tecnologias para uso em ambientes industriais, como ZigBee, WirelessHART, ISA100.11a, IEEE 802.11, IEEE 802.15, redes LTE (4G) e 5G. São elencados também os principais problemas encontrados em uma instalação de rede de sensores sem fio em indústrias, assim como o ciclo de implementação de uma rede e feito uma comparação entre protocolos de comunicação e capacidade de resolver os problemas e obstáculos para se implementar uma rede de sensores em ambiente industrial. Com isso, é apresentado uma matriz com os resultados e as comparações das tecnologias discutidasAutomation with wireless networks has received a lot of interest in recent years due to its low cost advantages and high flexibility over traditional wired networks. Industrial wireless sensor networks have great potential to improve the monitoring and control of various processes and equipment in distributed automation and systems because of advances in wireless networks. This work discusses several technologies for application in the industry, from monitoring, process control and data transfer. Technologies for use in industrial environments are described and explained, such as ZigBee, WirelessHART, ISA100.11a, IEEE 802.11, IEEE 802.15, LTE (4G) and 5G networks. Also listed are the main problems found in a wireless sensor network installation in industries, as well as the implementation cycle of a network. A comparison is made between communication protocols and the ability to solve problems and obstacles in order to implement a sensor network in an industrial environment. Thus, a matrix is presented with the results and comparisons of the technologies discusse

Sistema de aquisição, monitoramento e persistência de dados oriundos de uma rede de sensores sem fio para supervisão da eficiência energética em motores industriais.

A grande maioria das indústrias usam sistemas mecânicos impulsionados por motores elétricos. Tais sistemas são responsáveis por até dois terços do consumo energético, muito embora funcionem com cerca de apenas 60% de sua eficiência, causando um desperdício de energia. Desse modo, um sistema de monitoramento da eficiência energética de motores se destaca como um importante fator estratégico para as indústrias. A tecnologia atual permite que sistemas de supervisão usando redes de sensores sem fio tornem-se uma alternativa viável aos métodos de monitoramento mais comuns. No entanto, tais sistemas exigem um subsistema de aquisição e exibição de dados para efetivo controle. Neste trabalho foi desenvolvido um software capaz de adquirir dados oriundos de uma rede de sensores sem fio criada para obter informações de eficiência energética e torque em motores industriais. O sistema é capaz de exibir os dados em gráficos e armazená-los em um banco de dados relacional. O trabalho também descreve testes que foram realizados com o software, a fim de garantir que o mesmo seja capaz de receber os dados na taxa máxima enviada pela rede de sensores, sem erros

Monitoramento de sinais fisiológicos utilizando algoritmos de fusão de dados em RSSF

Trabalho de Conclusão de Curso, apresentado para obtenção do grau de Bacharel no Curso de Ciência da Computação da Universidade do Extremo Sul Catarinense, UNESC.MHealth é uma aplicação de computação móvel, comunicações sem fio e tecnologias de rede para fornecer ou melhorar diversos serviços de informações sobre a saúde de um paciente com mobilidade dentro de uma determinada área. Esses serviços podem fornecer a pacientes e cuidadores um monitoramento ininterrupto, acesso a dados médicos, comunicações de emergência, entre outros. Para realizar esse monitoramento, as Redes de Sensores Sem Fio (RSSF) podem ser utilizadas para coletar informações e as encaminhá-las até uma aplicação clínica, onde são armazenadas e analisadas, podendo gerar um feedback ao paciente em seu dispositivo móvel. Porém, as RSSF ainda apresentam alguns desafios. Uma solução natural para suplantar falhas e leituras imprecisas dos dados coletados consiste no uso de mais de um nodo nesta rede, e que estes possam cooperar entre si para monitorar os sinais fisiológicos do paciente. Entretanto, esta estratégia traz um novo desafio de escalabilidade causado pelo potencial aumento de colisões, pela transmissão de dados redundantes e pelo consumo excessivo de energia, um dos principais problemas das RSSF. Como resposta a este desafio, a técnica de fusão de dados tem sido adotada como solução para processar múltiplas fontes de dados, gerando um único dado de saída. Considerando isto, esta pesquisa consiste em descrever os conceitos de fusão de dados para sensores mais utilizados e implementar um protótipo para monitoramento de uma grandeza fisiológica utilizando um dos conceitos apresentados. Para isto, foram utilizados dois sensores de temperatura para coletar os sinais de um ser humano e utilizado o protocolo ZigBee para a comunicação sem fio dos sensores. O método utilizado para a fusão de dados foi o Filtro de Kalman. Além disso, uma aplicação mHealth foi criada para exibir o resultado final ao usuário. Os resultados da implementação deste algoritmo mostraram ser possível gerar um único dado de saída com os dados coletados através de múltiplas fontes, mesmo quando acontece alguma inconsistência nos dados o algoritmo consegue evitar a falha e prever o resultado baseando-se na predição e na atualização, aplicado pelo conceito do Filtro de Kalman. Com o uso do Filtro de Kalman para a fusão de dados, também foi possível diminuir a quantidade de pacotes que trafegam pela rede, consequentemente, diminuindo o gasto energético dos sensores gerado pelo encaminhamento dos dados