Smart system for control and monitoring of swimming pools

Internet of Things emerged as one of the biggest promises of evolutional technologies, being increasingly identified as a dependency of the quotidian life. It is based on the connection of many devices that aims to simplify daily activities providing monitorization activities, remote control or the development of smart environments that aims to reduce the need of human intervention. Taking into consideration that the incorrect use of fresh water in daily activities is nowadays a big concern as well as the need to keep track of water quality in order to inform the user about potential risk situations, this dissertation proposes the appliance of IoT concept with a new scheme for monitoring and control of swimming pools quality through a low-cost system based on wireless sensor and actuator networks, which can reduce the requirements of human in the swimming pool maintenance. The main purpose of this system is to provide resources savings for the final user in financial and natural resources, contributing to a more sustainable environment. An Android mobile application was developed, providing users to monitor and remotely control swimming pool’s parameters in real time, providing an easier data analysis and the definition of thresholds to each parameter in order to notify the user when the imposed limits are exceeded. The remote control of some devices is possible to do in two modes: manually or automatically. The developed solution presents a system designed and implemented with a simple architecture and high efficiency level, with practical demonstrations of the obtained results.A Internet das Coisas surgiu como uma das maiores promessas tecnológicas, sendo cada vez mais identificada como um fator de dependência no quotidiano. Esta baseia-se na conexão de dispositivos capazes de proporcionar atividades de monitorização, controlo remoto ou desenvolvimento de ambientes inteligentes que visam reduzir a necessidade da intervenção humana. Tendo em conta o uso incorreto de recursos como a água em atividades do dia-a-dia, cada vez mais existe uma grande preocupação e necessidade de acompanhar a qualidade da água para manter os seus utilizadores informados sobre possíveis situações de risco. Esta dissertação propõe a aplicação do conceito da Internet das Coisas com um novo esquema para monitorização e controlo da qualidade das piscinas, através de um sistema de baixo custo baseado numa rede sem fios de sensores e atuadores, reduzindo a requisição de recursos humanos na manutenção de piscinas. O principal objetivo deste sistema é proporcionar a poupança de recursos económicos e naturais aos seus utilizadores, contribuindo para um ambiente mais sustentável. Foi desenvolvida uma aplicação Android, que possibilita a monitorização e controlo remoto de dados recolhidos das piscinas em tempo real, fornecendo uma análise de dados e a definição de limites para cada um dos parâmetros, de modo a notificar o utilizador quando os limites definidos forem excedidos. O controlo de alguns dispositivos é possível através de dois modos: manualmente e automaticamente. A solução desenvolvida apresenta um sistema desenhado e implementado com uma arquitetura simples um alto nível de eficiência, com demonstrações práticas e resultados obtidos

Distributed sensing solution for home efficiency tracking

With the rapid increase of smart devices, keeping track of household consumptions is a service that starts to be automated and a need that is becoming more and more constant. In the middle of the 21st century, more and more measures are being debated that can make the world a more sustainable place, and this is part of each one of us, from our own homes. It is through the Internet of Things and its vast concept of connecting all devices, allowing them to communicate with each other, that it is possible to convert a normal home into a smart home in a simple and revolutionary way. This dissertation presents a proposal for a system based on wireless sensor networks designed for the purpose of monitoring and controlling environment parameters of a smart home. In order to obtain an efficient and inexpensive system, a study was made to select the best hardware and software solutions for this system, that also allows the user, through an Android application, to view all the information collected by the sensors, and consequently act in a way to make his home more sustainable. The main advantages of this system, which distinguishes it from the others, are its small dimensions, its efficiency and the low cost associated. In addition, it is a practical system that allows easy installation and it can interact with the surrounding environment.Com a rápida evolução da tecnologia e dos dispositivos inteligentes, monitorizar os consumos domésticos é cada vez mais uma necessidade constante e que começa a ser feita de forma automática. Em pleno século XXI cada vez mais, são debatidas medidas para tornar o planeta um local mais sustentável, e isso depende de cada um de nós, a partir das nossas próprias. É através do conceito da Internet das Coisas e do seu vasto conceito de conectar dispositivos, permitindo que estes comuniquem uns com os outros, que se torna possível converter uma casa normal numa casa inteligente de uma forma simples e revolucionária. Esta dissertação apresenta a proposta de um sistema baseado numa rede de sensores sem fios, desenhada com o propósito de monitorizar e controlar os parâmetros ambientais de uma casa. De forma a obter um sistema eficiente e de baixo custo, foi feito um estudo para selecionar as melhores soluções de hardware e software para este sistema, permitindo ao utilizador, através de uma aplicação Android visualizar toda a informação, obtida pelos sensores, e consequentemente tomar decisões que tornem a sua casa mais sustentável. A principal vantagem deste sistema, que o distingue dos outros, é que todos os componentes são pequenos, eficientes, com um baixo custo. Para além disso, é um sistema prático que permite uma fácil instalação e que se envolve com o meio à sua volta

The use of Sensor Networks to create smart environments

Internet of Things is taking the world in order to be the next big thing since the Internet, with almost every object being connected to gather data and allow control through mobile and web devices. But this revolution has some barriers with the lack of standardization in communications or sensors. In this dissertation we present a proposal of a system dedicated to creating smart environments using sensor networks, with a practical application developed to achieve automation, efficiency and versatility, allowing real-time monitoring and remote control of any object or environment improving user experience, tasks efficiency and leading to costs reduction. The developed system, that includes software and hardware, is based on adaptive and Artificial Intelligence algorithms and low cost IoT devices, taking advantage of the best communication protocols, allowing the developed system to be suited and easily adapted to any specification by any person. We evaluate the best communication and devices for the desired implementa tion and demonstrate how to create all the network nodes, including the build of a custom IoT Gateway and Sensor Node. We also demonstrate the efficiency of the developed system in real case scenarios. The main contributions of our study are the design and implementation of a novel architecture for adaptive IoT projects focus on environment efficiency, with practical demonstration, as well as comparison study for the best suited communication protocols for low cost IoT devices.A Internet of Things está a atingir o mundo de modo a tornar-se a próxima grande revolução depois da Internet, com quase todos os objectos a estarem ligados para recolher dados e permitir o controlo através de dispositivos móveis. Mas esta revolução depara-se com vários desafios devido à falta de standards no que toca a comunicações ou sensores. Nesta dissertação apresentamos uma proposta para um sistema dedicado a criar ambientes inteligentes usando redes de sensores, com uma aplicação prática desenvolvida para oferecer automação, eficiência e versatilidade, permitindo uma monitorização e controlo remoto seguro em tempo real de qualquer objecto ou ambiente, melhorando assim a experiência do utilizador e a eficiência das tarefas evando a redução de custos. O sistema desenvolvido, que inclui software e hard ware, usa algoritmos adaptáveis com Inteligência Artificial e dispositivos IoT de baixo custo, utilizando os melhores protocolos de comunicação, permitindo que o mesmo seja apropriado e facilmente adaptado para qualquer especificação por qualquer pessoa. Avaliamos os melhores métodos de comunicação e dispositivos necessários para a implementação e demonstramos como criar todos os nós da rede, incluindo a construção de IoT Gateway e Sensor Node personalizados. Demonstramos também a eficácia do sistema desenvolvido através da aplicação do mesmo em casos reais. As principais contribuições do nosso estudo passam pelo desenho e implemen tação de uma nova arquitectura para projectos adaptáveis de IoT com foco na eficiência do objecto, incluindo a demonstração pratica, tal como um estudo com parativo sobre os melhores protocolos de comunicação para dispositivos IoT de baixo custo

Sustainable modular IoT solution for smart cities applications supported by machine learning algorithms

The Internet of Things (IoT) and Smart Cities are nowadays a big trend, but with the proliferation of these systems several challenges start to appear and put in jeopardy the acceptance by the population, mainly in terms of sustainability and environmental issues. This Thesis introduces a new system composed by a modular IoT smart node that is self-configurable and sustainable with the support of machine learning techniques, as well as the research and development to achieve a innovative solution considering data analysis, wireless communications and hardware and software development. For all these, concepts are introduced, research methodologies, tests and results are presented and discussed as well as the development and implementation. The developed research and methodology shows that Random Forest was the best choice for the data analysis in the self-configuration of the hardware and communication systems and that Edge Computing has an advantage in terms of energy efficiency and latency. The autonomous communication system was able to create a 65% more sustainable node, in terms of energy consumption, with only a 13% decrease in quality of service. The modular approach for the smart node presented advantages in the integration, scalability and implementation of smart cities projects when facing traditional implementations, reducing up to 45% the energy consumption of the overall system and 60% of messages exchanged, without compromising the system performance. The deployment of this new system will help Smart Cities, in a worldwide fashion, to decrease their environmental issues and comply with rules and regulations to reduce CO2 emission.A Internet das Coisas (IoT) e as Cidades Inteligentes são hoje uma grande tendência, mas com a rápida evolução destes sistemas são vários os desafios que põem em causa a sua aceitação por parte das populações, maioritariamente devido a problemas ambientais e de sustentabilidade. Esta Tese introduz um novo sistema composto por nós de IoT inteligentes que são auto-configuáveis e sustentáveis suportados por de aprendizagem automática, e o trabalho de investigação e desenvolvimento para se obter uma solução inovadora que considera a análise de dados, comunicações sem fios e o desenvolvimento do hardware e software. Para todos estes, os conceitos chave são introduzidos, as metodologias de investigação, testes e resultados são apresentados e discutidos, bem como todo o desenvolvimento e implementação. Através do trabalho desenvolvido mostra-se que as Árvores Aleatórias são a melhor escolha para análise de dados em termos da autoconfiguração do hardware e sistema de comunicações e que a computação nos nós tem uma vantagem em termos de eficiência energética e latência. O sistema de configuração autónoma de comunicações foi capaz de criar um nós 65% mais sustentável, em termos en- ergéticos, comprometendo apenas em 13% a qualidade do servi ̧co. A solução modular do nó inteligente apresentou vantagens na integração, escalabilidade e implementação de projectos para Cidades Inteligentes quando comparado com soluções tradicionais, reduzindo em 45% o consumo energético e 60% a troca de mensagens, sem comprometer a qualidade do sistema. A implementação deste novo sistema irá ajudar as cidades inteligentes, em todo o mundo, a diminuir os seus problemas ambientais e a cumprir com as normas e regulamentos para reduzir as emissões de CO2

A quantum-resistant advanced metering infrastructure

This dissertation focuses on discussing and implementing a Quantum-Resistant Advanced Metering Infrastructure (QR-AMI) that employs quantum-resistant asymmetric and symmetric cryptographic schemes to withstand attacks from both quantum and classical computers. The proposed solution involves the integration of Quantum-Resistant Dedicated Cryptographic Modules (QR-DCMs) within Smart Meters (SMs). These QR-DCMs are designed to embed quantum-resistant cryptographic schemes suitable for AMI applications. In this sense, it investigates quantum-resistant asymmetric cryptographic schemes based on strong cryptographic principles and a lightweight approach for AMIs. In addition, it examines the practical deployment of quantum-resistant schemes in QR-AMIs. Two candidates from the National Institute of Standards and Technology (NIST) post-quantum cryptography (PQC) standardization process, FrodoKEM and CRYSTALS-Kyber, are assessed due to their adherence to strong cryptographic principles and lightweight approach. The feasibility of embedding these schemes within QRDCMs in an AMI context is evaluated through software implementations on low-cost hardware, such as microcontroller and processor, and hardware/software co-design implementations using System-on-a-Chip (SoC) devices with Field-Programmable Gate Array (FPGA) components. Experimental results show that the execution time for FrodoKEM and CRYSTALS-Kyber schemes on SoC FPGA devices is at least one-third faster than software implementations. Furthermore, the achieved execution time and resource usage demonstrate the viability of these schemes for AMI applications. The CRYSTALS-Kyber scheme appears to be a superior choice in all scenarios, except when strong cryptographic primitives are necessitated, at least theoretically. Due to the lack of off-the-shelf SMs supporting quantum-resistant asymmetric cryptographic schemes, a QRDCM embedding quantum-resistant scheme is implemented and evaluated. Regarding hardware selection for QR-DCMs, microcontrollers are preferable in situations requiring reduced processing power, while SoC FPGA devices are better suited for those demanding high processing power. The resource usage and execution time outcomes demonstrate the feasibility of implementing AMI based on QR-DCMs (i.e., QR-AMI) using microcontrollers or SoC FPGA devices.Esta tese de doutorado foca na discussão e implementação de uma Infraestrutura de Medição Avançada com Resistência Quântica (do inglês, Quantum-Resistant Advanced Metering Infrastructure - QR-AMI), que emprega esquemas criptográficos assimétricos e simétricos com resistência quântica para suportar ataques proveniente tanto de computadores quânticos, como clássicos. A solução proposta envolve a integração de um Módulo Criptográfico Dedicado com Resistência Quântica (do inglês, Quantum-Resistant Dedicated Cryptographic Modules - QR-DCMs) com Medidores Inteligentes (do inglês, Smart Meter - SM). Os QR-DCMs são projetados para embarcar esquemas criptográficos com resistência quântica adequados para aplicação em AMI. Nesse sentido, é investigado esquemas criptográficos assimétricos com resistência quântica baseado em fortes princípios criptográficos e abordagem com baixo uso de recursos para AMIs. Além disso, é analisado a implantação prática de um esquema com resistência quântica em QR-AMIs. Dois candidatos do processo de padronização da criptografia pós-quântica (do inglês, post-quantum cryptography - PQC) do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (do inglês, National Institute of Standards and Technology - NIST), FrodoKEM e CRYSTALS-Kyber, são avaliados devido à adesão a fortes princípios criptográficos e abordagem com baixo uso de recursos. A viabilidade de embarcar esses esquemas em QR-DCMs em um contexto de AMI é avaliado por meio de implementação em software em hardwares de baixo custo, como um microcontrolador e processador, e implementações conjunta hardware/software usando um sistema em um chip (do inglês, System-on-a-Chip - SoC) com Arranjo de Porta Programável em Campo (do inglês, Field-Programmable Gate Array - FPGA). Resultados experimentais mostram que o tempo de execução para os esquemas FrodoKEM e CRYSTALSKyber em dispositivos SoC FPGA é, ao menos, um terço mais rápido que implementações em software. Além disso, os tempos de execuções atingidos e o uso de recursos demonstram a viabilidade desses esquemas para aplicações em AMI. O esquema CRYSTALS-Kyber parece ser uma escolha superior em todos os cenários, exceto quando fortes primitivas criptográficas são necessárias, ao menos teoricamente. Devido à falta de SMs no mercado que suportem esquemas criptográficos assimétricos com resistência quântica, um QR-DCM embarcando esquemas com resistência quântica é implementado e avaliado. Quanto à escolha do hardware para os QR-DCMs, microcontroladores são preferíveis em situações que requerem poder de processamento reduzido, enquanto dispositivos SoC FPGA são mais adequados para quando é demandado maior poder de processamento. O uso de recurso e o resultado do tempo de execução demonstram a viabilidade da implementação de AMI baseada em QR-DCMs, ou seja, uma QR-AMI, usando microcontroladores e dispositivos SoC FPGA

A Review of Digital Twins and their Application in Cybersecurity based on Artificial Intelligence

The potential of digital twin technology is yet to be fully realized due to its diversity and untapped potential. Digital twins enable systems' analysis, design, optimization, and evolution to be performed digitally or in conjunction with a cyber-physical approach to improve speed, accuracy, and efficiency over traditional engineering methods. Industry 4.0, factories of the future, and digital twins continue to benefit from the technology and provide enhanced efficiency within existing systems. Due to the lack of information and security standards associated with the transition to cyber digitization, cybercriminals have been able to take advantage of the situation. Access to a digital twin of a product or service is equivalent to threatening the entire collection. There is a robust interaction between digital twins and artificial intelligence tools, which leads to strong interaction between these technologies, so it can be used to improve the cybersecurity of these digital platforms based on their integration with these technologies. This study aims to investigate the role of artificial intelligence in providing cybersecurity for digital twin versions of various industries, as well as the risks associated with these versions. In addition, this research serves as a road map for researchers and others interested in cybersecurity and digital security.Comment: 60 pages, 8 Figures, 15 Table

Cybersecurity for Industry 4.0 in the current literature: A reference framework

The cybersecurity issues represent a complex challenge for all companies committing to Industry 4.0 paradigm. On the other hand, the characterization of cybersecurity concept within Industry 4.0 contexts proved to be an emerging and relevant topic in the recent literature. The paper proposes to analyse, through a systematic literature review approach, the way in which the existing state of art deals with the cybersecurity issues in Industry 4.0 contexts. In particular, the focus will be on the investigation of the main elements associated with cybersecurity theme (i.e. asset involved into cyber-attacks, system vulnerabilities, cyber threats, risks and countermeasures) within those industrial contexts where physical systems (machines, shop floors, plants) are connected each other via the Internet. Four areas of analysis are defined: definitions of cybersecurity and Industry 4.0 concepts, the industrial focus of the analysed studies, the cybersecurity characterization and the management attempts of cybersecurity issues. Through the literature review analysis, a framework of the main features characterizing each area is discussed, providing interesting evidences for future research and applications

Sistema de gestão de rega inteligente suportado em IoT de baixo custo

Na atualidade a Internet das Coisas faz parte do quotidiano de todos nós, havendo cada vez mais dispositivos conectados entre si. Face aos rápidos progressos nesta área, aquando da realização do trabalho de investigação e desenvolvimento apresentado nesta dissertação, constatou-se um enorme conjunto de trabalho associado a este tema, em particular relacionados com a aplicação de redes de sensores sem fios a diferentes projetos de IoT. Porém, verificámos a ausência de sistema tão complexo como o desenvolvido, que consiste numa rede de sensores sem fios descentralizada, flexível, de forma modular e adaptável. Esta é capaz de ser implementada em diversos sistemas de IoT de médias e grandes dimensões. Isto tornou-se possível porque a comunicação entre os nós integrantes desta, é constituída por um módulo rádio que suporta a tecnologia LoRa. A rede desenvolvida tem como seu objetivo principal monitorizar elementos do ambiente onde está implementada, como a temperatura, humidade, luminosidade, entre outros, e atuar sobre o processo de controlo de modo a aumentar a eficiência do sistema em questão, conseguindo ainda aumentar a área de cobertura do mesmo. Esta rede foi aplicada a um sistema de rega já existente, que foi substancialmente melhorado por via das alterações introduzidas. Alterações estas que permitem a rega individualizada, sem intervenção humana, das diferentes zonas do jardim de acordo com as suas características especificas, diminuindo assim os gastos desnecessários de água utilizada na rega e consequentemente a redução da pegada hídrica.Nowadays the Internet of Things is part of everyday life of all of us, with more and more devices connected to each other. In light of the progress made in this area, the research and development work presented in this dissertation revealed a huge set of work associated with this topic, in particular related to the application of wireless sensor networks to different IoT projects. However, we note that there is no such complex system as the one developed, which is a decentralized, flexible and adaptable WSN. Which is capable of being implemented in several medium and large IoT systems. This has become possible because the communication between the nodes constituents of this, is carried out by a radio module that supports the LoRa technology. The main aim of the developed network is to monitor elements of the environment where it is implemented, such as temperature, humidity, luminosity, among others, and to act on the control processto increase the efficiency of the system in question, coverage. This network was applied to an existing irrigation system, which has been substantially improved by the changes introduced. These changes allow individual watering without human intervention of the different areas of the garden according to their specific characteristics, thus reducing the unnecessary expenditure of water used in irrigation and consequently the reduction of the water footprint

Design and Implementation of a Low-Cost Cloud-Powered Home Automation System

synergy of these technologies such as intelligent lighting, entertainment (audio and video), security, heating, ventilation and air conditioning in the home for the automation of control and monitoring activities within that home is typically known as Home Automation today. The Home global home automation market size was approximated to be about USD 45.8 billion in just 2017 and is projected to reach as high as USD 114 Billion at the tail of 2025 with a compound annual growth rate of 12.1% in this forecast period [1]. North America is projected to emerge as the leading region in the global landscape during the forecast period, but West African countries such as Nigeria, Ghana, Cameroon are generally seen to have a much lower adoption rate when it comes to emerging technologies like these. The low adoption rate is due in part to the high cost of implementing a home Automation solution coupled with the general economic state of these developing countries. The interest and investment of the tech industry within the countries also play a role in this context. This paper explores the design and implementation of a relatively less costly cloud-based home automation architecture built partly on open-source technology and widely available resources. The solution was realized using a raspberry pi as the field gateway and primary controller. Arduino Uno microcontroller were used as the secondary controller. The highly robust Microsoft Azure cloud was used, enabling the representation, testing, deploying, and managing applications and systems and services on the cloud and at the edge. In demonstrating the feasibility of the proposed system, three systems were integrated: intelligent lighting, basic access security and remote monitoring. These would be monitored and controlled by a simple mobile app whose communication with the field devices is made possible through the Microsoft Azure IoT solution