Antenas para redes de sensores sem fios

Com a necessidade de desenvolver nós sensores mais compactos, tem aumentado a procura por antenas mais pequenas. Como a antena é um elemento crucial do módulo de rádio, a qualidade da comunicação de um nó sensor está dependente do desempenho da antena. No entanto, a redução das suas dimensões tem impacto negativo na sua eficiência, constituindo um desafio para os projetistas. O objetivo principal deste trabalho consistiu no estudo de antenas compactas para a banda ISM (Insdustry, Scientific and Medical) de 2,4 GHz, que possam ser utilizadas num ambiente de espaço livre ou integradas num ambiente típico de um nó sensor. Foram estudadas dezoito antenas, encontrando-se divididas em duas categorias: antenas metálicas e antenas impressas. As nove antenas mais compactas foram embutidas numa caixa com circuitos eletrónicos. Esta análise é importante para avaliar o projeto de uma antena tendo em consideração o ambiente final de utilização devido ao impacto que o ambiente tem sobre as características da antena. Numa primeira fase construíram-se as várias antenas e analisaram-se as características num ambiente de espaço livre, tendo-se recorrido a uma pesquisa bibliográfica, às simulações eletromagnéticas e à verificação experimental. Para concluir, as antenas mais compactas das duas categorias foram embutidas numa caixa com circuitos eletrónicos e foram estudadas em diferentes situações, de modo a avaliar a influência do equipamento e da caixa sobre as características das antenas. Estudaram-se as características de cada antena nas várias situações na caixa, fazendo-se uma comparação com as características obtidas no espaço livre. Verificou-se experimentalmente que os diagramas na caixa perdiam as características omnidirecionais nas várias situações e que a frequência central era deslocada para um valor mais baixo. Verificou-se também que as antenas impressas tornavam-se eficientes com a proximidade aos circuitos eletrónicos.With the need to develop more compact sensor nodes, the demand for smaller antennas has increased. Since the antenna is a crucial element of the radio module, the quality of the communication of a sensor node depends on the performance of the antenna. However, the reduction of its dimensions has a negative impact on its efficiency, posing a challenge for the designers. The main objective of this project was to study compact antennas for the 2,4 GHz ISM band that can be used in a free space environment or integrated in a typical sensor node environment. Eighteen antennas were studied, which are divided into two categories: metallic antennas and printed antennas. The nine most compact antennas were embedded in a box with electronic circuits. This analysis is important to evaluate the design of an antenna considering the final environment of use due to the impact that the environment has on the characteristics of the antenna. In the first phase the various antennas were constructed and the characteristics analyzed in a free space environment, and a bibliographic search was made, to the electromagnetic simulations and to the experimental verification. To conclude, the most compact antennas of the two categories were embedded in a box with electronic circuits and were studied in different situations, in order to evaluate the influence of the equipment and the box on the characteristics of the antennas. The characteristics of each antenna were studied in the various situations in the box, making a comparison with the characteristics obtained in the free space. It was experimentally found that the diagrams in the box lost the omni-directional characteristics in the various situations and that the center frequency was shifted to a lower value. It was also found that the printed antennas became efficient with the proximity to electronic circuits

Router dual-radio para redes de sensores sem fios

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia de ComunicaçõesAs redes de sensores sem fios são cada vez mais utilizadas, tanto na indústria como em aplicações domésticas, muito devido ao grande desenvolvimento que têm sofrido nos últimos anos. Este desenvolvimento tem levado a que surjam novos sensores de baixo consumo, baixo débito, e baixo custo. A informação adquirida pelos sensores precisa de ser enviada para outros nós da rede (e.g., uma estação base ou um atuador). Em redes ZigBee, os routers tem a função de reencaminhar a informação para o destino, em topologias multihop, como malha e árvore. Isto tem um impacto sobre o desempenho, principalmente em aplicações que geram um tráfego elevado como é o caso do transporte de informação de eletrocardiografia (ECG), eletroencefalografia (EEG) ou postura (captura de movimentos). Nesta dissertação é feito o estudo, desenvolvimento e teste de um router dualradio 802.15.4/802.15.4 com o objetivo do aumento de desempenho de redes IEEE 802.15.4 e ZigBee, ou a extensão de protocolos single-hop, como o LPRT, para topologias multihop. A implementação é feita utilizando plataformas de hardware e software da Texas Instruments. Inicialmente é feita a análise do desempenho de uma rede ZigBee com topologia em estrela e com topologia em árvore com dois saltos, e da comunicação SPI entre dois dispositivos com vista a verificar o modo de comunicação mais eficiente. Com base nesta análise é implementado um router dual-radio que permite um aumento de 51% do débito máximo em relação ao uso de um router normal, conforme validam os resultados experimentais obtidos.Wireless sensor networks are growing widely, in industry and domestic applications, largely due the advances achieved in the last years. This development had led to the emergence of new sensors with low power, low rate, and low cost. The information acquired by the sensors need to be sent to other network nodes (e.g., a base station or an actuator). On ZigBee networks, routers are used to forward the information to the destination in multihop topologies, such as mesh and tree. Normal routers typically have a single transceiver. This has an impact on performance, especially in applications that generate high traffic such as transport of electrocardiogram (ECG), electroencephalography (EEG) or posture (motion capture) information. This dissertation presents the study, development and testing of a dual-radio router 802.15.4/802.15.4 with the goal of increasing performance of IEEE 802.15.4 and ZigBee networks, or the extension of single-hop protocols, such as LPRT, to multihop topologies. The implementation is achieved by using hardware and software platforms from Texas Instruments. Firstly, it is made the performance analysis of ZigBee networks with star and 2-hop tree topology, and then the evaluation of the SPI communication between two devices in order to verify the most efficient communication mode. Based on this analysis it is implemented a dualradio router that allows an increase of 51% in the maximum throughput compared to a normal router, as the experimental results show

GESTÃO DE ENERGIA EM REDES DE SENSORES SEM FIOS

A energia é um recurso limitado em redes de sensores sem fios, pelo que uma gestão eficiente da energia disponível é crucial para aumentar o seu tempo de vida operacional. Assim, a gestão de energia em redes de sensores sem fios tem estado focada no desenvolvimento de mecanismos de activação sincronizada de nós “adormecidos” e de tecnologias de captação de energia do meio envolvente. O objectivo deste trabalho consistiu em explorar estas duas abordagens para criar condições de disponibilidade contínua de energia nos nós de redes sem fios: em primeiro lugar, explorando tecnologias de captação de energia de importantes fontes no meio envolvente: luz solar, diferenciais térmicos e campos electromagnéticos, e, também, cultivando métodos e tecnologias de despertar por radiofrequência (wake-up radio) como forma mais adequada de gerir as oportunidades de operação dos nós de uma rede, poupando energia no tempo restante. São apresentados estudos e soluções realizadas no âmbito industrial, bem como os métodos e resultados da análise realizada para a sua validação. Assim, conseguiu-se: Uma solução baseada na captação de energia solar, com uma eficiência superior a 70% (desde a saída do painel fotovoltaico), capaz de suportar sensores e repetidores numa rede, acumulando energia correspondente a autonomias de 16 e 40 horas, respectivamente, numa aplicação de diagnóstico de seccionadores de alta-tensão em subestações de distribuição de electricidade; Uma solução de captação de energia de diferenciais térmicos, para suportar sensores de diagnóstico do estado de funcionamento de purgadores, em linhas industriais de distribuição de vapor, permitindo uma disponibilidade permanente de energia, mesmo para diferenças de temperatura de uns meros 20 °C; Uma solução de captação de energia de campos magnéticos gerados por correntes eléctricas intensas, para aplicação em sensores sem fios a utilizar em redes de distribuição de electricidade, que, nas circunstâncias dos trabalhos propostos, amplamente demonstrou a viabilidade do conceito e foi industrialmente incorporado numa unidade sem fios para a monitorização de correntes eléctricas e o diagnóstico do estado de fusíveis em postos de transformação; Duas soluções de despertar por radiofrequência, sem prejuízo da latência de comunicação: (i) despertar colectivo, sincronizado para todos os nós da rede no volume de alcance-rádio do emissor, que se revelou eficaz até aos 37 metros, no interior, consumindo 7 μA e (ii) despertar selectivo, individualizando o nó a activar, com um alcance de 33 metros, igualmente no interior, consumindo 5 μA — em campo aberto, o alcance foi de 10 metros. Em suma: as soluções industriais realizadas no âmbito deste trabalho demonstram a viabilidade de suportar a alimentação em potência de nós de redes sem fios operando em diferentes regimes e dependendo de diversas fontes de energia, em natureza e potência disponível, que, no nosso entender constitui condição necessária ao sucesso industrial das redes de objectos sem fios

Proposta de gateway para redes de sensores sem fios

Mestrado em Engenharia Electrónica e TelecomunicaçõesO presente trabalho apresenta um estudo acerca das redes de sensores sem fios e propõe uma solução para um gateway a ser integrado numa rede Zigbee. Para além da arquitetura deste dispositivo, sugerem-se soluções para a sua implementação, esquemas de troca de mensagens e de controlo do acesso ao meio, tendo em vista a eficiência energética e a garantia de entrega dos dados. Apresentam-se também resultados de simulações e protótipos de aplicações com vista a implementação do dispositivo e sua integração na rede.This work presents a study on wireless sensor networks and proposes a solution for a gateway to be integrated in a ZigBee network. In addition to the device architecture solutions for implementation, message exchange and medium access control schemes are also proposed; bearing in mind energetic efficiency and data delivery guarantee. Simulation results and application prototypes are also presented aiming the implementation of the device and its network integration

Convergência entre dispositivos móveis e redes de sensores sem fios

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia de ComunicaçõesAs redes de sensores sem fios, apesar de terem um papel muito importante em áreas tão distintas como a saúde, o ambiente, a domótica, etc., possuem várias restrições que as impedem de serem mais eficientes e mais abrangentes. Esta dissertação tem como objetivo analisar a forma como algumas destas limitações podem ser ultrapassadas através do uso de dispositivos móveis, implementando módulos exemplificativos da integração destas duas tecnologias. O primeiro módulo é um programa que permite aumentar o alcance de uma rede de sensores sem fios, aproveitando a variedade de interfaces de comunicação que um dispositivo apresenta. Este software foi implementado num smartphone HTC utilizando o sistema operativo Windows Mobile. O segundo módulo é uma aplicação que exemplifica a complementaridade entre as redes de sensores sem fios e os dispositivos móvel. A aplicação é um sistema de deteção de quedas, em que o dispositivo móvel lê os dados provenientes da rede de sensores e aciona um alarme em caso de queda do utilizador. O dispositivo sensor utilizado é baseado num acelerómetro de três eixos. O algoritmo de deteção de quedas e respetiva interface com o utilizador foram implementados em Matlab. Os resultados obtidos nos testes efetuados sugerem que o sistema pode funcionar com poucas falhas na monitorização de pessoas em que as movimentações são limitadas, por exemplo, no caso de pessoas idosas. Já para pessoas mais jovens, o algoritmo implementado pode não ser suficiente. O terceiro módulo é uma placa de circuito impresso que visa proporcionar uma interface de comunicação entre dispositivos de redes de sensores baseados na norma IEEE 802.15.4 e dispositivos móveis, uma vez que estes últimos não integram esta interface de raiz. Este módulo é baseado no circuito integrado CC2430, que integra o microcontrolador e o transceiver no mesmo chip. O desenvolvimento deste módulo não chegou ao fim no tempo planeado. De qualquer forma, outros módulos baseados num circuito integrado mais recente (CC2530) surgiram para colmatar a lacuna identificada no início do desenvolvimento deste módulo.Wireless sensor networks, despite having a very important role in areas such as health, environment, home automation, etc., have several restrictions that prevent them from being more e cient and widespread. This dissertation aims to examine how some of these limitations can be overcome through the use of mobile devices and the implementation of modules that exemplify the integration of these technologies. The first module is a program that allows to extend the range of a wireless sensor network, taking advantage of the variety of communication interfaces that a mobile device possesses. This software has been implemented using a HTC smartphone with the Windows Mobile operating system. The second module is an application that illustrates the complementarity between wireless sensor networks and mobile devices. This application is a fall detection system where the mobile device reads the data received from the sensor network and triggers an alarm when the user falls. The sensor device used is based on a three-axis accelerometer. The algorithm for detection of falls and respective user interface were both implemented in Matlab. The results from the tests suggest that the system can operate with few failures in the monitoring of individuals whose movements are limited, for example, in the case of elderly people. For younger people, though, the implemented algorithm may not be enough. The third module is a printed circuit board which aims to provide a communication interface between devices of sensor networks based on IEEE 802.15.4 and mobile devices, since the latter do not support 802.15.4 communication natively. This module is based on CC2430 integrated circuit, which integrates the microcontroller and the transceiver on the same chip. The development of this module have not nished in the scheduled time. Anyway, other modules based on an newer integrated circuit (CC2530) have emerged to fill the gap identi ed in the early development of this module

Implementação de sistemas eólicos para redes de sensores sem fios

O trabalho tem por objetivo principal estudar a utilização de aerogeradores para microprodução de energia (menor que 1 W) de forma a poderem alimentar os nós das redes de sensores sem fios. Para tal, analisaram-se dois tipos de aerogeradores, os de eixo vertical e os de eixo horizontal, tendo-se efetuado simulações de CFD (Computational Fluid Dynamics) para verificar o desempenho das turbinas, de forma a determinar qual é o mais adequado. Foi realizado o projeto dos dois sistemas e analisou-se em particular as turbinas, os geradores e os conversores de potência de forma a avaliar o desempenho. Efetuaram-se simulações para determinar o comportamento esperado e posteriormente realizaram-se as medições experimentais num túnel de vento, tendo-se concluído que, para a dimensão dos aerogeradores desenvolvidos, o sistema vertical produz mais potência que o de eixo horizontal para velocidades de vento inferiores a 4,5 m/s e tem a grande vantagem de não ser significativamente afetado pela turbulência do vento. No entanto, o sistema de eixo horizontal é sempre mais eficiente para qualquer velocidade de vento, devido ao seu coeficiente de potência ser sempre superior ao do sistema vertical. Também se comparou o desempenho do conversor DC-DC redutor-elevador inversor com o elevador tendo-se determinado que o segundo apresenta melhor desempenho, na gama de valores de tensão utilizados no trabalho. Por fim implementaram-se os sistemas em ambiente real de forma a verificar como se comportam quando estão expostos aos elementos com a velocidade e a direção do vento a variar. Concluiu-se que mesmo com ventos fracos a potência produzida é suficiente para carregar uma bateria de 3,6 V (tensão nominal) e alimentar a carga, pelo que o uso de energia eólica é uma boa alternativa à energia fotovoltaica

Urubu: energy scavenging in wireless sensor networks

For the past years wireless sensor networks (WSNs) have been coined as one of the most promising technologies for supporting a wide range of applications. However, outside the research community, few are the people who know what they are and what they can offer. Even fewer are the ones that have seen these networks used in real world applications. The main obstacle for the proliferation of these networks is energy, or the lack of it. Even though renewable energy sources are always present in the networks environment, designing devices that can efficiently scavenge that energy in order to sustain the operation of these networks is still an open challenge. Energy scavenging, along with energy efficiency and energy conservation, are the current available means to sustain the operation of these networks, and can all be framed within the broader concept of “Energetic Sustainability”. A comprehensive study of the several issues related to the energetic sustainability of WSNs is presented in this thesis, with a special focus in today’s applicable energy harvesting techniques and devices, and in the energy consumption of commercially available WSN hardware platforms. This work allows the understanding of the different energy concepts involving WSNs and the evaluation of the presented energy harvesting techniques for sustaining wireless sensor nodes. This survey is supported by a novel experimental analysis of the energy consumption of the most widespread commercially available WSN hardware platforms.Há já alguns anos que as redes de sensores sem fios (do Inglês Wireless Sensor Networks - WSNs) têm sido apontadas como uma das mais promissoras tecnologias de suporte a uma vasta gama de aplicações. No entanto, fora da comunidade científica, poucas são as pessoas que sabem o que elas são e o que têm para oferecer. Ainda menos são aquelas que já viram a sua utilização em aplicações do dia-a-dia. O principal obstáculo para a proliferação destas redes é a energia, ou a falta dela. Apesar da existência de fontes de energia renováveis no local de operação destas redes, continua a ser um desafio construir dispositivos capazes de aproveitar eficientemente essa energia para suportar a operação permanente das mesmas. A colheita de energia juntamente com a eficiência energética e a conservação de energia, são os meios disponíveis actualmente que permitem a operação permanente destas redes e podem ser todos englobados no conceito mais amplo de “Sustentabilidade Energética”. Esta tese apresenta um estudo extensivo das várias questões relacionadas com a sustentabilidade energética das redes de sensores sem fios, com especial foco nas tecnologias e dispositivos explorados actualmente na colheita de energia e no consumo energético de algumas plataformas comercias de redes de sensores sem fios. Este trabalho permite compreender os diferentes conceitos energéticos relacionados com as redes de sensores sem fios e avaliar a capacidade das tecnologias apresentadas em suportar a operação permanente das redes sem fios. Este estudo é suportado por uma inovadora análise experimental do consumo energético de algumas das mais difundidas plataformas comerciais de redes de sensores sem fios

Ubiquitous model for wireless sensor networks monitoring

Wireless Sensor Networks (WSNs) belongs to a new technology trend where tiny and resource constrained devices are wirelessly interconnected and are able to interact with the surrounding environment by collecting data, such as temperature and humidity. Recently, due to the huge growth of mobile devices usage with Internet connection, smartphones are becoming the center of future ubiquitous wireless networks allowing users to access data network services, anytime and anywhere. According to the Internet of Things vision, interconnecting WSNs with smartphones and the Internet is a big challenge. Then, due to the heterogeneity of these devices new architectures are required. This dissertation focuses on the design and construction of a ubiquitous architecture for WSNs monitoring based on Web services, a relational database, and an Android mobile application. This architecture allows mobile users accessing real-time or historical data in a ubiquitous environment using smartphones. Besides that, a push notification system to alert mobile users when a sensor parameter overcomes a given threshold was created. The entire solution was evaluated and demonstrated using a laboratory WSN testbed, and is ready for use.As redes de sensores sem fios fazem parte de uma nova tendência tecnológica na qual pequenos dispositivos com recursos limitados comunicam entre si, sem fios, e interagem com o ambiente envolvente recolhendo uma grande diversidade de dados, tais como a temperatura e a humidade. Recentemente, devido ao enorme crescimento no uso de dispositivos móveis com ligação à Internet, os smartphones estão a tornar-se o centro das futuras redes sem fios ubíquas permitindo aos utilizadores aceder a dados, a qualquer hora e em qualquer lugar. De acordo com a visão da Internet of Things, interligar redes de sensores sem fios e smartphones usando a Internet é um grande desafio e novas arquitecturas são necessárias devido à heterogeneidade destes dispositivos. Esta dissertação centra-se na proposta e construção de uma arquitectura ubíqua para a monitorização de redes de sensores sem fios, baseada em serviços Web, apoiada numa base de dados relacional e uma aplicação móvel para o sistema operative Android. Esta arquitectura permite que os utilizadores móveis acedam a dados em tempo real e também a dados históricos, num ambiente móvel, usando smartphones. Além disso, foi desenvolvido um sistema de notificações push que alerta o utilizador quando um dado parâmetro de um sensor ultrapassa um limiar pré-definido. A solução construída foi testada e demonstrada utilizando uma testbed laboratorial e está pronta para utilização

Estudo de algoritmos de localização em redes de sensores sem fios

Mestrado em Engenharia Electrónica e Telecomunicaçõe

Análise e utilização de protocolos de redes de sensores sem fios

Uma Rede de Sensores sem Fio (RSSF) é constituída por um conjunto de dispositivos sem fios distribuídos numa determinada área, com o objetivo de monitorizar variáveis como a temperatura, humidade, pressão e outras, em locais que a sua implementação seja preferível ou benéfica em relação às típicas redes cabladas. Para estas RSSF poderem satisfazer as diferentes necessidades de implementação têm de possuir determinados requisitos como o baixo custo, baixa latência e baixo consumo energético. Os protocolos de encaminhamento têm um papel fundamental para a sintonia entre os principais requisitos das RSSF, pelo que foram desenvolvidos protocolos para determinadas necessidades e, em alguns casos, posteriormente alterados para oferecer melhor adaptação a diferentes ambientes. Este trabalho tem como objetivo apresentar uma análise sobre os protocolos de encaminhamento usados nas RSSF, as suas características e funcionamento, com a intenção de criar um documento que reúna a informação mais importante e, de uma forma simples, para orientar futuras decisões para o desenvolvimento de futuros projetos nesta área.A Wireless Sensor Network (WSN) is constituted by a set of wireless devices distributed over a certain area, for the purpose of monitoring variables such as temperature, humidity, pressure and others, in places that its implementation is preferred or beneficial compared to typical wired networks. For these WSN can meet the different deployment needs must have certain requirements such as low cost, low latency and low power consumption. routing protocols have a key role in the harmony between the main requirements of WSN, so protocols have been developed for specific needs and, in some cases, subsequently amended to provide better adaptation to different environments. This paper aims to present an analysis of the routing protocols used in WSN, its features and operation, with the intention of creating a document containing the most important information and, in a simple way, to guide future decisions for development future projects in this area