Cost-Precision Tradeoffs in 3D Air Pollution Mapping using WSN

Best Paper AwardInternational audienceAir pollution has become a major issue of modern megalopo-lis, where the majority of world population lives. Measuring air pollution levels is an important step in designing and assessing air quality related public policies. Unfortunately, existing solutions are inadequate to get insights on the real exposition of citizens. In particular, high quality sensors deployed today are too large and too costly to envision a three dimensional deployment at the scale of a street. In this paper, we investigate the deployment of wireless sensor networks (WSN) used for building a three-dimensional mapping of pollution concentrations. We consider in our simulations a 3D model of air pollution dispersion based on real experiments performed in wind tunnels emulating the pollution emitted by a steady state traffic flow in a typical street canyon. Our contribution is to analyze the performances of different 3D WSN topologies in terms of the trade-off between the economical cost of the infrastructure and the quality of the reconstructed air pollution mapping

Green internet of things using UAVs in B5G networks: A review of applications and strategies

Recently, Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) present a promising advanced technology that can enhance people life quality and smartness of cities dramatically and increase overall economic efficiency. UAVs have attained a significant interest in supporting many applications such as surveillance, agriculture, communication, transportation, pollution monitoring, disaster management, public safety, healthcare, and environmental preservation. Industry 4.0 applications are conceived of intelligent things that can automatically and collaboratively improve beyond 5G (B5G). Therefore, the Internet of Things (IoT) is required to ensure collaboration between the vast multitude of things efficiently anywhere in real-world applications that are monitored in real-time. However, many IoT devices consume a significant amount of energy when transmitting the collected data from surrounding environments. Due to a drone's capability to fly closer to IoT, UAV technology plays a vital role in greening IoT by transmitting collected data to achieve a sustainable, reliable, eco-friendly Industry 4.0. This survey presents an overview of the techniques and strategies proposed recently to achieve green IoT using UAVs infrastructure for a reliable and sustainable smart world. This survey is different from other attempts in terms of concept, focus, and discussion. Finally, various use cases, challenges, and opportunities regarding green IoT using UAVs are presented.This project has received funding from the European Union's Horizon 2020 research and innovation programme under the Marie Skłodowska-Curie grant agreement No. 847577; and a research grant from Science Foundation Ireland (SFI) under Grant Number 16 / RC / 3918 (Ireland's European Structural and Investment Funds Programmes and the European Regional Development Fund 2014-2020)

Integrated Sensing and Communications: Towards Dual-functional Wireless Networks for 6G and Beyond

As the standardization of 5G solidifies, researchers are speculating what 6G will be. The integration of sensing functionality is emerging as a key feature of the 6G Radio Access Network (RAN), allowing for the exploitation of dense cell infrastructures to construct a perceptive network. In this IEEE Journal on Selected Areas in Commmunications (JSAC) Special Issue overview, we provide a comprehensive review on the background, range of key applications and state-of-the-art approaches of Integrated Sensing and Communications (ISAC). We commence by discussing the interplay between sensing and communications (S&C) from a historical point of view, and then consider the multiple facets of ISAC and the resulting performance gains. By introducing both ongoing and potential use cases, we shed light on the industrial progress and standardization activities related to ISAC. We analyze a number of performance tradeoffs between S&C, spanning from information theoretical limits to physical layer performance tradeoffs, and the cross-layer design tradeoffs. Next, we discuss the signal processing aspects of ISAC, namely ISAC waveform design and receive signal processing. As a step further, we provide our vision on the deeper integration between S&C within the framework of perceptive networks, where the two functionalities are expected to mutually assist each other, i.e., via communication-assisted sensing and sensing-assisted communications. Finally, we identify the potential integration of ISAC with other emerging communication technologies, and their positive impacts on the future of wireless networks

Distributed, Low-Cost, Non-Expert Fine Dust Sensing with Smartphones

Diese Dissertation behandelt die Frage, wie mit kostengünstiger Sensorik Feinstäube in hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung gemessen werden können. Dazu wird ein neues Sensorsystem auf Basis kostengünstiger off-the-shelf-Sensoren und Smartphones vorgestellt, entsprechende robuste Algorithmen zur Signalverarbeitung entwickelt und Erkenntnisse zur Interaktions-Gestaltung für die Messung durch Laien präsentiert. Atmosphärische Aerosolpartikel stellen im globalen Maßstab ein gravierendes Problem für die menschliche Gesundheit dar, welches sich in Atemwegs- und Herz-Kreislauf-Erkrankungen äußert und eine Verkürzung der Lebenserwartung verursacht. Bisher wird Luftqualität ausschließlich anhand von Daten relativ weniger fester Messstellen beurteilt und mittels Modellen auf eine hohe räumliche Auflösung gebracht, so dass deren Repräsentativität für die flächendeckende Exposition der Bevölkerung ungeklärt bleibt. Es ist unmöglich, derartige räumliche Abbildungen mit den derzeitigen statischen Messnetzen zu bestimmen. Bei der gesundheitsbezogenen Bewertung von Schadstoffen geht der Trend daher stark zu räumlich differenzierenden Messungen. Ein vielversprechender Ansatz um eine hohe räumliche und zeitliche Abdeckung zu erreichen ist dabei Participatory Sensing, also die verteilte Messung durch Endanwender unter Zuhilfenahme ihrer persönlichen Endgeräte. Insbesondere für Luftqualitätsmessungen ergeben sich dabei eine Reihe von Herausforderungen - von neuer Sensorik, die kostengünstig und tragbar ist, über robuste Algorithmen zur Signalauswertung und Kalibrierung bis hin zu Anwendungen, die Laien bei der korrekten Ausführung von Messungen unterstützen und ihre Privatsphäre schützen. Diese Arbeit konzentriert sich auf das Anwendungsszenario Partizipatorischer Umweltmessungen, bei denen Smartphone-basierte Sensorik zum Messen der Umwelt eingesetzt wird und üblicherweise Laien die Messungen in relativ unkontrollierter Art und Weise ausführen. Die Hauptbeiträge hierzu sind: 1. Systeme zum Erfassen von Feinstaub mit Smartphones (Low-cost Sensorik und neue Hardware): Ausgehend von früher Forschung zur Feinstaubmessung mit kostengünstiger off-the-shelf-Sensorik wurde ein Sensorkonzept entwickelt, bei dem die Feinstaub-Messung mit Hilfe eines passiven Aufsatzes auf einer Smartphone-Kamera durchgeführt wird. Zur Beurteilung der Sensorperformance wurden teilweise Labor-Messungen mit künstlich erzeugtem Staub und teilweise Feldevaluationen in Ko-Lokation mit offiziellen Messstationen des Landes durchgeführt. 2. Algorithmen zur Signalverarbeitung und Auswertung: Im Zuge neuer Sensordesigns werden Kombinationen bekannter OpenCV-Bildverarbeitungsalgorithmen (Background-Subtraction, Contour Detection etc.) zur Bildanalyse eingesetzt. Der resultierende Algorithmus erlaubt im Gegensatz zur Auswertung von Lichtstreuungs-Summensignalen die direkte Zählung von Partikeln anhand individueller Lichtspuren. Ein zweiter neuartiger Algorithmus nutzt aus, dass es bei solchen Prozessen ein signalabhängiges Rauschen gibt, dessen Verhältnis zum Mittelwert des Signals bekannt ist. Dadurch wird es möglich, Signale die von systematischen unbekannten Fehlern betroffen sind auf Basis ihres Rauschens zu analysieren und das "echte" Signal zu rekonstruieren. 3. Algorithmen zur verteilten Kalibrierung bei gleichzeitigem Schutz der Privatsphäre: Eine Herausforderung partizipatorischer Umweltmessungen ist die wiederkehrende Notwendigkeit der Sensorkalibrierung. Dies beruht zum einen auf der Instabilität insbesondere kostengünstiger Luftqualitätssensorik und zum anderen auf der Problematik, dass Endbenutzern die Mittel für eine Kalibrierung üblicherweise fehlen. Bestehende Ansätze zur sogenannten Cross-Kalibrierung von Sensoren, die sich in Ko-Lokation mit einer Referenzstation oder anderen Sensoren befinden, wurden auf Daten günstiger Feinstaubsensorik angewendet sowie um Mechanismen erweitert, die eine Kalibrierung von Sensoren untereinander ohne Preisgabe privater Informationen (Identität, Ort) ermöglicht. 4. Mensch-Maschine-Interaktions-Gestaltungsrichtlinien für Participatory Sensing: Auf Basis mehrerer kleiner explorativer Nutzerstudien wurde empirisch eine Taxonomie der Fehler erstellt, die Laien beim Messen von Umweltinformationen mit Smartphones machen. Davon ausgehend wurden mögliche Gegenmaßnahmen gesammelt und klassifiziert. In einer großen summativen Studie mit einer hohen Teilnehmerzahl wurde der Effekt verschiedener dieser Maßnahmen durch den Vergleich vier unterschiedlicher Varianten einer App zur partizipatorischen Messung von Umgebungslautstärke evaluiert. Die dabei gefundenen Erkenntnisse bilden die Basis für Richtlinien zur Gestaltung effizienter Nutzerschnittstellen für Participatory Sensing auf Mobilgeräten. 5. Design Patterns für Participatory Sensing Games auf Mobilgeräten (Gamification): Ein weiterer erforschter Ansatz beschäftigt sich mit der Gamifizierung des Messprozesses um Nutzerfehler durch den Einsatz geeigneter Spielmechanismen zu minimieren. Dabei wird der Messprozess z.B. in ein Smartphone-Spiel (sog. Minigame) eingebettet, das im Hintergrund bei geeignetem Kontext die Messung durchführt. Zur Entwicklung dieses "Sensified Gaming" getauften Konzepts wurden Kernaufgaben im Participatory Sensing identifiziert und mit aus der Literatur zu sammelnden Spielmechanismen (Game Design Patterns) gegenübergestellt

Digital Transformation for Sustainable Future - Agriculture 4.0: A review

In the last few years, while the COVID-19 pandemic affects food supply chains around the world, the agriculture sector also has faced many global problems, such as global warming, environmental pollution, climate change, and weather disasters. It has known that technological opportunities are available for human beings to get out of these predicaments, solving the interconnections between food-water-energy- climate nexus, and achieving agricultural transformation from traditional to digital.The aim of this review is to gain holistic solutions in a systematic view, based on water-energy-food resources to agricultural digital transformation that will play role in sustainable development. The transition from primitive to digital is given with road maps covering agricultural and industrial revolutions at four stages on timeline. Digital agriculture combined under precision agriculture and Agriculture 4.0 are handled based on domains covering monitoring, control, prediction, and logistics. Digital technologies are explained with application examples such as the Internet of Things (IoT), cloud computing, big data, artificial intelligence, decision support systems, etc. Wearable sensor technologies, real-time monitoring systems tracking whole conditions of animals in livestock, the IoT-based irrigation and fertilization systems that help enhance the efficiency of irrigation processes and minimize water and fertilizer losses in agricultural fields and greenhouses, blockchain-based electronic agriculture, and solutions based on drones and robotics that reduce herbicide and pesticide use are handled systematically. Moreover, renewable energy technologies to be provided synergy between technologies such as agrivoltaics and aquavoltaics combining food and energy production in rural are explained, besides solar-powered pivot and drip irrigation systems and environmental monitoring systems. As a result, for a sustainable future, technological innovations that increase crop productivity and improve crop quality, protect the environment, provide efficient resource use and decrease input costs can help us facing in agriculture of today overwhelm many the economic, social, and environmental challenges

Modelling the drift of thermographic sensors UAV for efficient irrigation management

El uso civil de plataformas aéreas no tripuladas ha experimentado un notable aumento en la última década, siendo la agricultura una de las áreas que mayor interés ha despertado. La flexibilidad que ofrecen estas plataformas, permitiendo realizar vuelos sobre el cultivo en el preciso omento de interés generando estudios multi-temporales con técnicas de teledetección de muy alta resolución espacial. Estas aplicaciones están siendo posibles por la miniaturización de sensores que hace posible embarcarlos como carga de pago en estas plataformas. De este modo los sensores registran información de los cultivos en distintas regiones del espectro electromagnético, que es procesada para aplicaciones de agricultura de precisión. En función del tipo de sensor, su uso presenta un mayor o menor grado de madurez, beneficiando o limitando su uso. En el caso del uso de sensores termográficos, su uso aparece más limitado a consecuencia de la tecnología empleada si bien despierta un elevado interés tanto para su aplicación en la detección de enfermedades o evaluación de estrés hídrico en cultivos. Los sensores termográficos de uso civil se basan en una tecnología de microbolómetros no refrigerados, la cual presenta cambios continuos en la medida de temperatura. Esta inestabilidad genera una deriva en la adquisición de los valores de temperatura que debe ser corregida. Se presenta un método que permite calcular la deriva de cualquier sensor termográfico en función del tiempo.The civilian use of unmanned aerial platforms has experienced a remarkable interest in the last decade, with agriculture being one of the areas that has aroused most interest. The flexibility offered by these platforms, allowing flights over the crop at the precise moment of interest, makes it possible to carry out multi-temporal studies applying remote sensing techniques with very high spatial resolution. These applications are being made possible by the miniaturisation of sensors, which makes it possible to ship them as payloads on these platforms. In this way, sensors record crop information in different regions of the electromagnetic spectrum, which, once processed, are used in precision agriculture applications. Depending on the type of sensor, its use has a greater or lesser degree of maturity, benefiting or limiting its use. In the case of thermographic sensors, their use is more limited due to the technology used, although they are of great interest for their application in the detection of diseases or the evaluation of water stress in crops. Thermographic sensors for civilian use are based on uncooled microbolometer technology, which shows continuous changes in temperature measurement. This instability generates a drift in the acquisition of temperature values that must be corrected. A method is presented that allows the drift of any thermographic sensor to be calculated as a function of time

Contribution of remote sensing technologies to a holistic coastal and marine environmental management framework: a review

Coastal and marine management require the evaluation of multiple environmental threats and issues. However, there are gaps in the necessary data and poor access or dissemination of existing data in many countries around the world. This research identifies how remote sensing can contribute to filling these gaps so that environmental agencies, such as the United Nations Environmental Programme, European Environmental Agency, and International Union for Conservation of Nature, can better implement environmental directives in a cost-e ective manner. Remote sensing (RS) techniques generally allow for uniform data collection, with common acquisition and reporting methods, across large areas. Furthermore, these datasets are sometimes open-source, mainly when governments finance satellite missions. Some of these data can be used in holistic, coastal and marine environmental management frameworks, such as the DAPSI(W)R(M) framework (Drivers–Activities–Pressures–State changes–Impacts (on Welfare)–Responses (as Measures), an updated version of Drivers–Pressures–State–Impact–Responses. The framework is a useful and holistic problem-structuring framework that can be used to assess the causes, consequences, and responses to change in the marine environment. Six broad classifications of remote data collection technologies are reviewed for their potential contribution to integrated marine management, including Satellite-based Remote Sensing, Aerial Remote Sensing, Unmanned Aerial Vehicles, Unmanned Surface Vehicles, Unmanned Underwater Vehicles, and Static Sensors. A significant outcome of this study is practical inputs into each component of the DAPSI(W)R(M) framework. The RS applications are not expected to be all-inclusive; rather, they provide insight into the current use of the framework as a foundation for developing further holistic resource technologies for management strategies in the future. A significant outcome of this research will deliver practical insights for integrated coastal and marine management and demonstrate the usefulness of RS to support the implementation of environmental goals, descriptors, targets, and policies, such as theWater Framework Directive, Marine Strategy Framework Directive, Ocean Health Index, and United Nations Sustainable Development Goals. Additionally, the opportunities and challenges of these technologies are discussed.Murray Foundation: 25.26022020info:eu-repo/semantics/publishedVersio