Architecture and communication protocol to monitor and control water quality and irrigation in agricultural environments

[ES] La introducción de soluciones tecnológicas en la agricultura permite reducir el uso de recursos y aumentar la producción de los cultivos. Además, la calidad del agua de regadío se puede monitorizar para asegurar la seguridad de los productos para el consumo humano. Sin embargo, la localización remota de la mayoría de los campos presenta un problema para proveer de cobertura inalámbrica a los nodos sensores y actuadores desplegados en los campos y los canales de agua para regadío. El trabajo presentado en esta tesis aborda el problema de habilitar la comunicación inalámbrica entre los dispositivos electrónicos desplegados para la monitorización de la calidad del agua y el campo a través de un protocolo de comunicación y arquitectura heterogéneos. La primera parte de esta tesis introduce los sistemas de agricultura de precisión (PA) y la importancia de la monitorización de la calidad del agua y el campo. Asimismo, las tecnologías que permiten la comunicación inalámbrica en sistemas PA y el uso de soluciones alternativas como el internet de las cosas bajo tierra (IoUT) y los vehículos aéreos no tripulados (UAV) se introducen también. Después, se realiza un análisis en profundidad del estado del arte respecto a los sensores para la monitorización del agua, el campo y las condiciones meteorológicas, así como sobre las tecnologías inalámbricas más empleadas en PA. Además, las tendencias actuales y los desafíos de los sistemas de internet de las cosas (IoT) para regadío, incluyendo las soluciones alternativas introducidas anteriormente, han sido abordados en detalle. A continuación, se presenta la arquitectura propuesta para el sistema, la cual incluye las áreas de interés para las actividades monitorización que incluye las áreas de los canales y el campo. A su vez, la descripción y los algoritmos de operación de los nodos sensores contemplados para cada área son proporcionados. El siguiente capítulo detalla el protocolo de comunicación heterogéneo propuesto, incluyendo los mensajes y alertas del sistema. Adicionalmente, se presenta una nueva topología de árbol para redes híbridas LoRa/WiFi multisalto. Las funcionalidades específicas adicionales concebidas para la arquitectura propuesta están descritas en el siguiente capítulo. Éstas incluyen algoritmos de agregación de datos para la topología propuesta, un esquema de las amenazas de seguridad para los sistemas PA, algoritmos de ahorro de energía y tolerancia a fallos, comunicación bajo tierra para IoUT y el uso de drones para adquisición de datos. Después, los resultados de las simulaciones para las soluciones propuestas anteriormente son presentados. Finalmente, se tratan las pruebas realizadas en entornos reales para el protocolo heterogéneo presentado, las diferentes estrategias de despliegue de los nodos empleados, el consumo energético y la función de cuantificación de fruta. Estas pruebas demuestran la validez de la arquitectura y protocolo de comunicación heterogéneos que se han propuesto.[CA] La introducció de solucions tecnològiques en l'agricultura permet reduir l'ús de recursos i augmentar la producció dels cultius. A més, la qualitat de l'aigua de regadiu es pot monitoritzar per assegurar la qualitat dels productes per al consum humà. No obstant això, la localització remota de la majoria dels camps presenta un problema per a proveir de cobertura sense fils als nodes sensors i actuadors desplegats als camps i els canals d'aigua per a regadiu. El treball presentat en aquesta tesi tracta el problema d'habilitar la comunicació sense fils entre els dispositius electrònics desplegats per a la monitorització de la qualitat de l'aigua i el camp a través d'un protocol de comunicació i arquitectura heterogenis. La primera part d'aquesta tesi introdueix els sistemes d'agricultura de precisió (PA) i la importància de la monitorització de la qualitat de l'aigua i el camp. Així mateix, també s'introdueixen les tecnologies que permeten la comunicació sense fils en sistemes PA i l'ús de solucions alternatives com l'Internet de les coses sota terra (IoUT) i els vehicles aeris no tripulats (UAV). Després, es realitza una anàlisi en profunditat de l'estat de l'art respecte als sensors per a la monitorització de l'aigua, el camp i les condicions meteorològiques, així com sobre les tecnologies sense fils més emprades en PA. S'aborden les tendències actuals i els reptes dels sistemes d'internet de les coses (IoT) per a regadiu, incloent les solucions alternatives introduïdes anteriorment. A continuació, es presenta l'arquitectura proposada per al sistema, on s'inclouen les àrees d'interès per a les activitats monitorització en els canals i el camp. Finalment, es proporciona la descripció i els algoritmes d'operació dels nodes sensors contemplats per a cada àrea. El següent capítol detalla el protocol de comunicació heterogeni proposat, així como el disseny del missatges i alertes que el sistema proposa. A més, es presenta una nova topologia d'arbre per a xarxes híbrides Lora/WiFi multi-salt. Les funcionalitats específiques addicionals concebudes per l'arquitectura proposada estan descrites en el següent capítol. Aquestes inclouen algoritmes d'agregació de dades per a la topologia proposta, un esquema de les alertes de seguretat per als sistemes PA, algoritmes d'estalvi d'energia i tolerància a fallades, comunicació per a IoUT i l'ús de drons per a adquisició de dades. Després, es presenten els resultats de les simulacions per a les solucions proposades. Finalment, es duen a terme les proves en entorns reals per al protocol heterogeni dissenyat. A més s'expliquen les diferents estratègies de desplegament dels nodes empleats, el consum energètic, així com, la funció de quantificació de fruita. Els resultats d'aquetes proves demostren la validesa de l'arquitectura i protocol de comunicació heterogenis propost en aquesta tesi.[EN] The introduction of technological solutions in agriculture allows reducing the use of resources and increasing the production of the crops. Furthermore, the quality of the water for irrigation can be monitored to ensure the safety of the produce for human consumption. However, the remote location of most fields presents a problem for providing wireless coverage to the sensing nodes and actuators deployed on the fields and the irrigation water canals. The work presented in this thesis addresses the problem of enabling wireless communication among the electronic devices deployed for water quality and field monitoring through a heterogeneous communication protocol and architecture. The first part of the dissertation introduces Precision Agriculture (PA) systems and the importance of water quality and field monitoring. In addition, the technologies that enable wireless communication in PA systems and the use of alternative solutions such as Internet of Underground Things (IoUT) and Unmanned Aerial Vehicles (UAV) are introduced as well. Then, an in-depth analysis on the state of the art regarding the sensors for water, field and meteorology monitoring and the most utilized wireless technologies in PA is performed. Furthermore, the current trends and challenges for Internet of Things (IoT) irrigation systems, including the alternate solutions previously introduced, have been discussed in detail. Then, the architecture for the proposed system is presented, which includes the areas of interest for the monitoring activities comprised of the canal and field areas. Moreover, the description and operation algorithms of the sensor nodes contemplated for each area is provided. The next chapter details the proposed heterogeneous communication protocol including the messages and alerts of the system. Additionally, a new tree topology for hybrid LoRa/WiFi multi-hop networks is presented. The specific additional functionalities intended for the proposed architecture are described in the following chapter. It includes data aggregation algorithms for the proposed topology, an overview on the security threats of PA systems, energy-saving and fault-tolerance algorithms, underground communication for IoUT, and the use of drones for data acquisition. Then, the simulation results for the solutions previously proposed are presented. Finally, the tests performed in real environments for the presented heterogeneous protocol, the different deployment strategies for the utilized nodes, the energy consumption, and a functionality for fruit quantification are discussed. These tests demonstrate the validity of the proposed heterogeneous architecture and communication protocol.García García, L. (2021). Architecture and communication protocol to monitor and control water quality and irrigation in agricultural environments [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/17422

Swarm intelligence techniques for optimization and management tasks insensor networks

The main contributions of this thesis are located in the domain of wireless sensor netorks. More in detail, we introduce energyaware algorithms and protocols in the context of the following topics: self-synchronized duty-cycling in networks with energy harvesting capabilities, distributed graph coloring and minimum energy broadcasting with realistic antennas. In the following, we review the research conducted in each case. We propose a self-synchronized duty-cycling mechanism for sensor networks. This mechanism is based on the working and resting phases of natural ant colonies, which show self-synchronized activity phases. The main goal of duty-cycling methods is to save energy by efficiently alternating between different states. In the case at hand, we considered two different states: the sleep state, where communications are not possible and energy consumption is low; and the active state, where communication result in a higher energy consumption. In order to test the model, we conducted an extensive experimentation with synchronous simulations on mobile networks and static networks, and also considering asynchronous networks. Later, we extended this work by assuming a broader point of view and including a comprehensive study of the parameters. In addition, thanks to a collaboration with the Technical University of Braunschweig, we were able to test our algorithm in the real sensor network simulator Shawn (http://shawn.sf.net). The second part of this thesis is devoted to the desynchronization of wireless sensor nodes and its application to the distributed graph coloring problem. In particular, our research is inspired by the calling behavior of Japanese tree frogs, whose males use their calls to attract females. Interestingly, as female frogs are only able to correctly localize the male frogs when their calls are not too close in time, groups of males that are located nearby each other desynchronize their calls. Based on a model of this behavior from the literature, we propose a novel algorithm with applications to the field of sensor networks. More in detail, we analyzed the ability of the algorithm to desynchronize neighboring nodes. Furthermore, we considered extensions of the original model, hereby improving its desynchronization capabilities.To illustrate the potential benefits of desynchronized networks, we then focused on distributed graph coloring. Later, we analyzed the algorithm more extensively and show its performance on a larger set of benchmark instances. The classical minimum energy broadcast (MEB) problem in wireless ad hoc networks, which is well-studied in the scientific literature, considers an antenna model that allows the adjustment of the transmission power to any desired real value from zero up to the maximum transmission power level. However, when specifically considering sensor networks, a look at the currently available hardware shows that this antenna model is not very realistic. In this work we re-formulate the MEB problem for an antenna model that is realistic for sensor networks. In this antenna model transmission power levels are chosen from a finite set of possible ones. A further contribution concerns the adaptation of an ant colony optimization algorithm --currently being the state of the art for the classical MEB problem-- to the more realistic problem version, the so-called minimum energy broadcast problem with realistic antennas (MEBRA). The obtained results show that the advantage of ant colony optimization over classical heuristics even grows when the number of possible transmission power levels decreases. Finally we build a distributed version of the algorithm, which also compares quite favorably against centralized heuristics from the literature.Las principles contribuciones de esta tesis se encuentran en el domino de las redes de sensores inalámbricas. Más en detalle, introducimos algoritmos y protocolos que intentan minimizar el consumo energético para los siguientes problemas: gestión autosincronizada de encendido y apagado de sensores con capacidad para obtener energía del ambiente, coloreado de grafos distribuido y broadcasting de consumo mínimo en entornos con antenas reales. En primer lugar, proponemos un sistema capaz de autosincronizar los ciclos de encendido y apagado de los nodos de una red de sensores. El mecanismo está basado en las fases de trabajo y reposo de las colonias de hormigas tal y como estas pueden observarse en la naturaleza, es decir, con fases de actividad autosincronizadas. El principal objectivo de este tipo de técnicas es ahorrar energía gracias a alternar estados de forma eficiente. En este caso en concreto, consideramos dos estados diferentes: el estado dormido, en el que los nodos no pueden comunicarse y el consumo energético es bajo; y el estado activo, en el que las comunicaciones propician un consumo energético elevado. Con el objetivo de probar el modelo, se ha llevado a cabo una extensa experimentación que incluye tanto simulaciones síncronas en redes móviles y estáticas, como simulaciones en redes asíncronas. Además, este trabajo se extendió asumiendo un punto de vista más amplio e incluyendo un detallado estudio de los parámetros del algoritmo. Finalmente, gracias a la colaboración con la Technical University of Braunschweig, tuvimos la oportunidad de probar el mecanismo en el simulador realista de redes de sensores, Shawn (http://shawn.sf.net). La segunda parte de esta tesis está dedicada a la desincronización de nodos en redes de sensores y a su aplicación al problema del coloreado de grafos de forma distribuida. En particular, nuestra investigación está inspirada por el canto de las ranas de árbol japonesas, cuyos machos utilizan su canto para atraer a las hembras. Resulta interesante que debido a que las hembras solo son capaces de localizar las ranas macho cuando sus cantos no están demasiado cerca en el tiempo, los grupos de machos que se hallan en una misma región desincronizan sus cantos. Basado en un modelo de este comportamiento que se encuentra en la literatura, proponemos un nuevo algoritmo con aplicaciones al campo de las redes de sensores. Más en detalle, analizamos la habilidad del algoritmo para desincronizar nodos vecinos. Además, consideramos extensiones del modelo original, mejorando su capacidad de desincronización. Para ilustrar los potenciales beneficios de las redes desincronizadas, nos centramos en el problema del coloreado de grafos distribuido que tiene relación con diferentes tareas habituales en redes de sensores. El clásico problema del broadcasting de consumo mínimo en redes ad hoc ha sido bien estudiado en la literatura. El problema considera un modelo de antena que permite transmitir a cualquier potencia elegida (hasta un máximo establecido por el dispositivo). Sin embargo, cuando se trabaja de forma específica con redes de sensores, un vistazo al hardware actualmente disponible muestra que este modelo de antena no es demasiado realista. En este trabajo reformulamos el problema para el modelo de antena más habitual en redes de sensores. En este modelo, los niveles de potencia de transmisión se eligen de un conjunto finito de posibilidades. La siguiente contribución consiste en en la adaptación de un algoritmo de optimización por colonias de hormigas a la versión más realista del problema, también conocida como broadcasting de consumo mínimo con antenas realistas. Los resultados obtenidos muestran que la ventaja de este método sobre heurísticas clásicas incluso crece cuando el número de posibles potencias de transmisión decrece. Además, se ha presentado una versión distribuida del algoritmo, que también se compara de forma bastante favorable contra las heurísticas centralizadas conocidas

RFID Technology in Intelligent Tracking Systems in Construction Waste Logistics Using Optimisation Techniques

Construction waste disposal is an urgent issue for protecting our environment. This paper proposes a waste management system and illustrates the work process using plasterboard waste as an example, which creates a hazardous gas when land filled with household waste, and for which the recycling rate is less than 10% in the UK. The proposed system integrates RFID technology, Rule-Based Reasoning, Ant Colony optimization and knowledge technology for auditing and tracking plasterboard waste, guiding the operation staff, arranging vehicles, schedule planning, and also provides evidence to verify its disposal. It h relies on RFID equipment for collecting logistical data and uses digital imaging equipment to give further evidence; the reasoning core in the third layer is responsible for generating schedules and route plans and guidance, and the last layer delivers the result to inform users. The paper firstly introduces the current plasterboard disposal situation and addresses the logistical problem that is now the main barrier to a higher recycling rate, followed by discussion of the proposed system in terms of both system level structure and process structure. And finally, an example scenario will be given to illustrate the system’s utilization

Erasure

How does erasure execute knowledge production? The following is a tour through a collection of erasure that provides a glimpse into the many directions that this question may take us, through the lens of a series of artistic interventions, academic research, experiments and artefacts. I present these items from a collector’s point of view. For achieving completion of this collection of erasures would be, in the words of Jean Baudrillard, like death. That is to say that the desire to complete the series, to achieve the perfection of its imaginary ending, is that which creates the elusive object of desire. As such, in the same way that a collection can always extend itself laterally, or spark a new one ([1968] 1996, 113), I am presenting it as an object of desire, fuelled by the impetus of neoliberal growth, which can never be complete and will forever expand into new meanings of execution, always towards the elusive erasure of death

Shrimping under working conditions

We propose that mutated forms of death are emerging with neoliberalism’s biopolitical financialisation of life. Thinking of such forms as commercial extinction and social death, how do we begin to frame these outside of a quantified rhetoric of surplus? These questions aim to provoke a discussion about these terms that can be interpreted as modes of exhaustion, while maintaining particular biological, social or economic conditions of life. When we are confronted with capitalism’s failure to fulfil resource exhaustion, a model of conservation by dispossession1 might emerge within what Rosi Braidotti calls “new and subtler degrees of death and extinction” (2013, 115). In this text we want to think with other conditions of death and extinction that can help to move beyond the missing item of an inventory, a carved rock along a fossil road or a set of pre-emptive actions to be executed beyond a certain threshold. Thus, we ask if there could be figures, which rather than narrating death as a biological or geological concept, open it up to other equally violent forces that are nevertheless materially situated. More importantly, will we ever be able to think of extinction beyond ideas of absence or frame death from social or economic realms as an emerging mode of living? In order to address many of these questions we dissect a critical example of extinction, that of the brown shrimp (Crangon crangon) as it flips between commercial (albeit not yet biotic) death in the ex-fishing grounds of the South East corner of the UK, and the social death embedded in the labour-power of the ex-processing factories of the Special Economic Zones of Tangier and Tetuan in Morocco