Framework for IoT Service Oriented Systems

The forth industrial revolution is here, and with it Industry 4.0, which translates in many changes to the industry. With the introduction of paradigms like Internet of Things, Cyber Physical Systems or Cloud Computing, the so called Smart Factories are becoming a main part of today’s manufacturing systems. The vf-OS Project, where this thesis falls, intends to be an Open Operating System for Virtual Factories where the overall network of a collaborative manufacturing and logistics environment can be managed and thus enabling humans, applications and devices to communicate and interoperate in an interconnected operative environment. This thesis intends to contribute to the vision that any kind of sensor or actuator plugged to the virtual factory network, becomes promptly accessible in the operative environment and the services that it provides can be accessed and used by any API composing the system. Finally, it also aims to prove that an IoT Service Oriented Sys-tem constituted of open software components can be of great assistance and provide numerous contributions to the emerging Industry 4.0 and consequently to the Factories of the Future. With that aim, this thesis will focus on the development of two out of five inter-connected applications that answer not only to different use case scenarios presented in the vf-OS but also provide solutions to answer a practical agriculture scenario, which uses mainly IoT devices and other cutting-edge technologies like cloud compu-ting and FIWARE

Enhancing Motivation in Physiotherapy for People with Parkinson’s Disease: An Exploration of Serious Games and Virtual Reality

Parkinson’s Disease (PD) is a degenerative disorder of the central nervous system that mainly affects the motor system. There is currently no cure for PD, although it is possible to slow down its progression and control its symptoms with medication, surgery and physiotherapy. Physical exercise is an essential component of the treatment, helping patients to stay active, maintain physical performance and stimulate cognitive function. One of the main problems is that patients are more vulnerable to apathy and lack of motivation, which affects their willingness to follow an exercises plan and maintain their quality of life. Therefore, the necessity to develop an effective tool that persuades and actively engages patients becomes evident. Persuasive Technology is defined as any interactive computing system designed to change a person’s attitudes or behaviors. Gamification has demonstrated successful results in healthcare by increasing physical activity levels. Moreover, treatment can take advantage of Serious Games by combining the physical exercise component with cognitive function stimulation. If well aligned with therapy these can be used as Persuasive Technology. Therefore, this dissertation aimed to tackle this challenge by studying a motivational approach to persuade People with PD to practice even more therapy exercises. The proposed solution is based on the exploration of Serious Games and Virtual Reality (VR), mainly to study and discover the best natural user interfaces that could be used. A collection of Serious Games was implemented under a preliminary study to determine which devices were more suited to use in the implementation of the motivational strategy. Afterwards, the solution was based on the development of two VR-based Serious Games, one using Kinect V2 and the other fully immersive with Oculus Quest 2. A human factors study was then designed, showing very positive results in the first evaluation phase before moving on to the final assessment with patients. The research produced conclusions about the devices to use, but also about the design process of these solutions, from non to fully immersive VR.A Doença de Parkinson é uma doença degenerativa do sistema nervoso central que afecta principalmente o sistema motor. Actualmente, não existe cura para a doença, embora seja possível abrandar a sua progressão e controlar os seus sintomas com medicação, cirurgia e fisioterapia. O exercício físico é um componente essencial do tratamento, que ajuda os doentes a manterem-se ativos, a manter o desempenho físico e a estimular a função cognitiva. Um dos principais problemas é que os doentes são mais vulneráveis à apatia e à falta de motivação, o que afeta a sua vontade de seguir um plano de exercícios e de manter a sua qualidade de vida. Por conseguinte, torna-se evidente a necessidade de desenvolver uma ferramenta eficaz que persuada e envolva ativamente os doentes. A Tecnologia Persuasiva é definida como qualquer sistema informático interativo concebido para alterar as atitudes ou os comportamentos de uma pessoa. A Gamificação demonstrou resultados de sucesso nos cuidados de saúde, aumentando os níveis de atividade física. Além disso, o tratamento pode tirar partido de Jogos Sérios, combinando a componente de exercício físico com a estimulação da função cognitiva. Se bem alinhados com a terapia, podem ser usados como Tecnologia Persuasiva. Assim, esta dissertação teve como objetivo enfrentar este desafio, estudando uma abordagem motivacional para persuadir as pessoas com a Doença de Parkinson a praticar ainda mais exercícios terapêuticos. A solução proposta baseia-se na exploração de Jogos Sérios e Realidade Virtual, principalmente para estudar e desenvolver as melhores interfaces de utilizador naturais que podem ser utilizadas. Foi implementada uma coleção de Jogos Sérios num estudo preliminar para determinar quais os dispositivos mais adequados para utilizar na implementação da estratégia motivacional. Posteriormente, a solução baseou-se no desenvolvimento de dois Jogos Sérios baseados em Realidade Virtual, um utilizando o Kinect V2 e o outro totalmente imersivo com o Oculus Quest 2. Foi então concebido um estudo de fatores humanos, com resultados muito positivos na primeira fase de avaliação, antes de passar à avaliação final com os pacientes. A investigação produziu conclusões sobre os dispositivos a utilizar, mas também sobre o processo de conceção destas soluções, desde a Realidade Virtual não imersiva até à totalmente imersiva

Multi AGV coordination tolerant to communication failures

Nowadays, in many industrial environments that use several robots, there is the problem of controlling traffic. To control traffic, it is necessary to plan safe paths, avoid deadlocks and be immune to network failures. The objective of this project is to implement a system to control this traffic, that is, plan and control one fleet of robots that have multiple tasks to fulfill. This system will be based on implementing TEA *, an algorithm based on A * but that goes with the notion of time. At the same time, the system attempts to supervise, to see if the robots are fulfilling the plan and to guard against any communication failures

Epistemologia das ciências da educação: a emergência de uma Ciência da Educação e o papel fundamental da Filosofia da Educação

É preciso reconhecer que reina grande desordem na terminologia e que as interferências e confusões entre ensino, educação e pedagogia são numerosas e complexas. Não vamos, aqui, reflectir sobre esta problemática, mas apenas referir brevemente a evolução do conceito de educação. Assim sendo, a partir de 1690 - altura em que se pode ler no dicionário de Antoine Furetiére que educar consiste em alimentar crianças e cultivar o seu espírito quer por meio da ciência, quer pelos bons costumes- foram propostas centenas de definições de educação. Vamos apontar apenas duas que ilustram perfeitamente que as diferenças de estilo e de conteúdo entre elas conduzem à impossibilidade de compreender as definições de educação sem ter em conta um contexto muito mais lato do que o da simples relação educador-educando. Para Durkheim, educação é a acção exercida pelas gerações adultas sobre as que ainda não estão maduras para a vida social, tendo, por objectivo, suscitar na criança um determinado número de estados físicos, intelectuais e morais que a sociedade política, no seu conjunto, e o meio social , ao qual está particularmente destinada, reclamam

Pragmática linguística: coesão e coerência textual

Este trabalho foi realizado no âmbito do Seminário Pedagógico sobre Pragmática Linguística e Os Novos Programas de Língua Portuguesa, sob orientação da Professora-Doutora Ana Cristina Macário Lopes, que decorreu na Faculdade de Letras da Universidade de Coimbra. Procurou-se, no referido seminário, reflectir, de uma forma geral, sobre a incidência das teorias da Pragmática Linguística nos programas oficiais de Língua Portuguesa, tendo em vista um esclarecimento teórico sobre determinados conceitos necessários a um ensino qualitativamente mais válido e, simultaneamente, uma vertente prática pedagógica que tem necessariamente presente a aplicação destes conhecimentos na situação real da sala de aula

Study of machinability of metal matrix composites produced by upward friction stir processing

Metal matrix composites (MMC) are materials that have attracted a lot of attention in several industries such as aerospace and automotive due to their excellent mechanical properties. Nowadays, one of the most used process to produce MMC is the Friction Stir Processing (FSP), which modifies the microstructure of the metal and allows the addition of reinforcement particles. Most of these materials require machining operations to obtain the desired shape, size and surface quality. However, machining of MMC is usually associated with high cutting forces, severe tool wear and poor surface quality. In this investigation, MMC were produced via an innovant variant known as Upward Friction Stir Processing (UFSP), by adding SiC particles to the aluminium matrix. Subsequently, several milling operations were performed, where the cutting speed and feed rate were varied in order to analyse the evolution of cutting forces as well as tool wear and surface roughness. Thus, it was possible to have a perception of the most suitable parameters for machining these materials. The results achieved demonstrate that these three indicators are interrelated, and that tool wear is the most critical parameter in the milling of MMC. Additionally, also the particle distribution in the matrix had influence on the results.Os compósitos de matriz metálica são materiais que têm atraído muita atenção em várias indústrias, tais como a aeroespacial e automóvel, devido às suas excelentes propriedades mecânicas. Atualmente, um dos processos mais utilizados para produzir compósitos de matriz metálica é o Friction Stir Processing (FSP), que modifica a microestrutura do metal e permite a adição de partículas de reforço. A maioria destes materiais requer operações de maquinação para obter a forma, tamanho e qualidade de superfície desejada. Contudo, a maquinação de compósitos de matriz metálica está normalmente associada a elevadas forças de corte, desgaste severo da ferramenta e má qualidade superficial. Nesta investigação, os compósitos de matriz metálica foram produzidos através de uma variante inovadora conhecida como Upward Friction Stir Processing (UFSP), adicionando partículas de SiC à matriz de alumínio. Seguidamente, foram realizadas várias operações de fresagem, onde a velocidade de corte e o avanço foram variados de modo a analisar a evolução das forças de corte, bem como o desgaste da ferramenta e a rugosidade da superfície. Assim, foi possível ter uma perceção dos parâmetros mais adequados para a maquinação destes materiais. Os resultados obtidos demonstram que estes três indicadores estão inter-relacionados, e que o desgaste da ferramenta é o parâmetro mais crítico na fresagem de compósitos de matriz metálica. Além disso, também a distribuição de partículas na matriz teve influência nos resultados

Bee Hive Monitoring System - Solutions for the automated health monitoring

Cerca de um terço da produção global de alimentos depende da polinização das abelhas, tornando-as vitais para a economia mundial. No entanto, existem diversas ameaças à sobrevivência das espécies de abelhas, tais como incêndios florestais, stress humano induzido, subnutrição, poluição, perda de biodiversidade, agricultura intensiva e predadores como as vespas asiáticas. Destes problemas, pode-se observar um aumento da necessidade de soluções automatizadas que possam auxiliar na monitorização remota de colmeias de abelhas. O objetivo desta tese é desenvolver soluções baseadas em Aprendizagem Automática para problemas que podem ser identificados na apicultura, usando técnicas e conceitos de Deep Learning, Visão Computacional e Processamento de Sinal. Este documento descreve o trabalho da tese de mestrado, motivado pelo problema acima exposto, incluindo a revisão de literatura, análise de valor, design, planeamento de testes e validação e o desenvolvimento e estudo computacional das soluções. Concretamente, o trabalho desta tese de mestrado consistiu no desenvolvimento de soluções para três problemas – classificação da saúde de abelhas a partir de imagens e a partir de áudio, e deteção de abelhas e vespas asiáticas. Os resultados obtidos para a classificação da saúde das abelhas a partir de imagens foram significativamente satisfatórios, excedendo os que foram obtidos pela metodologia definida no trabalho base utilizado para a tarefa, que foi encontrado durante a revisão da literatura. No caso da classificação da saúde das abelhas a partir de áudio e da deteção de abelhas e vespas asiáticas, os resultados obtidos foram modestos e demonstram potencial aplicabilidade das respetivas metodologias desenvolvidas nos problemas-alvo. Pretende-se que as partes interessadas desta tese consigam obter informações, metodologias e perceções adequadas sobre o desenvolvimento de soluções de IA que possam ser integradas num sistema de monitorização da saúde de abelhas, incluindo custos e desafios inerentes à implementação das soluções. O trabalho futuro desta dissertação de mestrado consiste em melhorar os resultados dos modelos de classificação da saúde das abelhas a partir de áudio e de deteção de objetos, incluindo a publicação de artigos para obter validação pela comunidade científica.Up to one third of the global food production depends on the pollination of honey bees, making them vital for the world economy. However, between forest fires, human-induced stress, poor nutrition, pollution, biodiversity loss, intensive agriculture, and predators such as Asian Hornets, there are plenty of threats to the honey bee species’ survival. From these problems, a rise of the need for automated solutions that can aid with remote monitoring of bee hives can be observed. The goal of this thesis is to develop Machine Learning based solutions to problems that can be identified in beekeeping and apiculture, using Deep Learning, Computer Vision and Signal Processing techniques and concepts. The current document describes master thesis’ work, motivated from the above problem statement, including the literature review, value analysis, design, testing and validation planning and the development and computational study of the solutions. Specifically, this master thesis’ work consisted in developing solutions to three problems – bee health classification through images and audio, and bee and Asian wasp detection. Results obtained for the bee health classification through images were significantly satisfactory, exceeding those reported by the baseline work found during literature review. On the case of bee health classification through audio and bee and Asian wasp detection, these obtained results were modest and showcase potential applicability of the respective developed methodologies in the target problems. It is expected that stakeholders of this thesis obtain adequate information, methodologies and insights into the development of AI solutions that can be integrated in a bee health monitoring system, including inherent costs and challenges that arise with the implementation of the solutions. Future work of this master thesis consists in improving the results of the bee health classification through audio and the object detection models, including publishing of papers to seek validation by the scientific community

Solar-pumped laser technology

In this dissertation are reported technological advancements in solar-pumped lasers and solar energy collection and concentration systems. New insights to improve the overall efficiency and the tracking error stability of solar lasers are presented, demonstrating new possibilities towards a sustainable energy generation and a low carbon industry as a solution for new segments of technology innovation. Significant progresses in solar laser efficiency and tracking error stability were obtained with numerical analysis. ZEMAX© non-sequential ray-tracing and LASCAD© resonant cavity analysis were used to optimize the optical designs and the laser cavity parameters. 38.2 W/m2 multimode solar laser in end-side-pumping configuration was achieved by using a ring-array concentrator (RAC). Dual-rod side-pumping scheme increased the multimode collection efficiency and the solar-to-laser power conversion efficiency to 24.18 W/m2 and 2.88%, respectively. Through the RAC primary concentrator and the dual-rod scheme, 29.06 W/m2 in multimode collection efficiency and 3.06% solar-to-laser power conversion efficiency were obtained. Also, TEM00-mode solar laser was improved with the novel three-folding-mirror laser beam merging technique, reaching 16.10 W/m2 of collection efficiency. Finally, a Nd:YAG dual-rod solar laser prototype was designed and built based on the numerical calculations. Experimental advancements were achieved regarding the solar tracking stability of the solar laser emission, reducing the eventual costs of future solar laser systems. The improvement in solar tracking error width at 10% laser power loss was 3.5 times and 1.5 times in its vertical and horizontal solar laser setups, respectively. Compared with the most efficient experimental single-rod solar laser, tracking error enhancement attained with the dual-rod in its vertical and horizontal setups was 23.3 and 10.0 times, respectively. The solar laser beam merging technique is also presented. The research work performed along this thesis and its results are discussed and future perspectives are finally proposed.Nesta dissertação são reportados os avanços tecnológicos em lasers de bombeamento solar e coleção e concentração de energia solar. Novos conhecimentos para melhorar a eficiência geral e a estabilidade de seguimento solar de lasers solares são apresentados, demonstrando novas possibilidades em direção à uma geração de energia sustentável e a uma industria de baixo carbono como uma solução para novos segmentos de inovação tecnológica. Progressos significantes em eficiência de laser solar e estabilidade de seguimento solar foram obtidos com análise numérica. ZEMAX© em modo não-sequencial para o traçado de raios e LASCAD© para análise da cavidade ressonante foram usados para otimizar o design ótico e os parâmetros da cavidade ressonante. 38.2 W/m2 de laser solar multimodo com configuração de bombeamento longitudinal-lateral foi conseguido utilizando um concentrador de anéis (CA). O esquema de dois-cristais com bombeamento lateral aumentou a eficiência de coleção e a eficiência de conversão de potência solar-para-laser multimodo para 24.18 W/m2 e 2.88%, respectivamente. Através do CA como concentrador primário e do esquema de dois-cristais, 29.06 W/m2 em eficiência de coleção em multimodo e 3.06% de eficiência de conversão de potência solar-para-laser foram obtidos. Também o laser solar em modo fundamental foi melhorado com a nova técnica de fusão de feixes laser com três-espelhos, atingindo 16.10 W/m2 de eficiência de coleção. Finalmente, um protótipo de laser solar Nd:YAG de dois-cristais foi desenhado e construído baseado nas simulações numéricas. Avanços experimentais foram atingidos em relação à estabilidade de seguimento solar da emissão de laser solar, reduzindo os eventuais custos de futuros sistemas de laser solar. O melhoramento na largura de erro de seguimento solar a 10% de perda de potência laser foi 3.5 vezes e 1.5 vezes nos seus esquemas vertical e horizontal, respectivamente. Comparado com o mais eficiente laser solar experimental de um cristal, a melhoria conseguida no erro de seguimento com o dois-cristais nos seus esquemas vertical e horizontal foi de 23.3 e 10.0 vezes, respectivamente. A técnica de fusão de feixes laser com três espelhos também é apresentada. O trabalho de pesquisa feito ao longo desta tese e os seus resultados são discutidos e futuras perspectivas são finalmente propostas