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

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

Characterisation of microbial attack on archaeological bone

As part of an EU funded project to investigate the factors influencing bone preservation in the archaeological record, more than 250 bones from 41 archaeological sites in five countries spanning four climatic regions were studied for diagenetic alteration. Sites were selected to cover a range of environmental conditions and archaeological contexts. Microscopic and physical (mercury intrusion porosimetry) analyses of these bones revealed that the majority (68%) had suffered microbial attack. Furthermore, significant differences were found between animal and human bone in both the state of preservation and the type of microbial attack present. These differences in preservation might result from differences in early taphonomy of the bones. © 2003 Elsevier Science Ltd. All rights reserved