[pt] Neste trabalho apresentamos um framework para disponibilizar coisas na Web fazendo uso de uma rede de sensores sem fio com nós de recursos limitados seguindo o paradigma da Web das Coisas (Web of Things). Nós focamos nos tipos de nós que não utilizam endereçamento IP e que possuem uma capacidade de memoria limitada. Oferecemos uma ferramenta reutilizável e configurável para cenários de aplicação dentro da área de Smart Home que, em conjunto com a rede de sensores, possibilita monitorar e intervir no ambiente físico através da Web. Para a implementação de aplicações na rede de sensores sem fio utilizamos a ferramenta TERRA a qual nos oferece configuração e programação remota dos nós da rede. Realizamos uma avaliação funcional e um caso de estudo. Na avaliação do sistema buscou-se provar que os objetivos planejados inicialmente se refletem no nosso software. O caso de estudo foi realizado considerando um usuário programador do framework. A principal contribuição deste trabalho é oferecer um framework para o monitoramento de nós sensores, incluindo a adequação do framework para outras aplicações de ambientes físicos. Essa contribuição é baseada numa abordagem que possibilita a programação distribuída de nós a partir da ferramenta TERRA em dispositivos de recursos limitados. Este trabalho apresenta o processo da prototipação do framework, os casos de aplicação e as dificuldades que se apresentaram. / [en] In this work we introduce a framework in order to have available Things in to the Web making use of a wireless sensor network with limited resource nodes following the paradigm of the Web of Things. We focused on those type of nodes that do not have an IP address and have capacity of limited memory. We offer one tool that will be reusable and configurable for scenarios inside the area of Smart Home that united with the wireless sensor network make possible to monitor and intervene in to the physical environment through the Web. For the implementation of wireless sensor networks applications we used the TERRA tool which offers remote configuration and remote programming of the nodes. A functional evaluation and a case study were realized. In evaluating the system we looked for prove that the initial planned objectives was reflected in our software. The case study was realized for the programmer user of the framework. The most important contribution of this work is offering a framework for the monitoring of this sensor nodes and the adequacy of the framework to other applications of physical environments. These contributions were based on an approach that makes possible the distributed programming of nodes using TERRA in devices of limited resources. This work shows all the process of prototyping the framework, the application cases, and the difficulties presented. / [es] En este trabajo presentamos un framework para disponibilizar cosas a la Web haciendo uso de una red de sensores inalámbricos con nodos de recursos limitados siguiendo el paradigma de la Web de las Cosas (Web of Things). Nos enfocamos en los tipos de nodos que no utilizan dirección IP y que poseen una capacidad de memoria limitada. Ofrecemos una herramienta reutilizable y configurable para escenarios de aplicación dentro da área de Smart Home que, en conjunto con la red de sensores, posibilita monitorear e intervenir en el ambiente físico a través de la Web. Para la implementación de aplicaciones con la red de sensores inalámbricos utilizamos la herramienta TERRA la cual nos ofrece configuración y programación remota de los nodos de la red. Realizamos una evaluación funcional y un caso de estudio. Con la evaluación del sistema se buscó probar que los objetivos planeados inicialmente se reflejan en nuestro software. El caso de estudio fue realizado considerando un usuario programador del framework. La principal contribución de este trabajo es ofrecer un framework para el monitoreo de nodos sensores, incluyendo la adecuación del framework para otras aplicaciones de ambientes físicos. Esa contribución es basada en un abordaje que posibilita la programación distribuida de nodos a partir de la herramienta TERRA en dispositivos de recursos limitados. Este trabajo presenta el proceso da prototipación del framework, los casos de aplicación y las dificultades que se presentaron.

[pt] Neste trabalho de dissertação são propostos algoritmos adaptativos que exploram a esparsidade em redes distribuídas de sensores para estimação de parâmetros e estimação espectral. São desenvolvidos algoritmos gradiente conjugado (CG) distribuído para os protocolos consenso e difusão em versão convencional e modificada (MCG). Esses algoritmos são desenvolvidos com exploração de esparsidade usando as funções penalidades l1 e log-sum. Os métodos propostos apresentam um melhor desempenho en termos de velocidade de convergência e desvio médio quadratico (MSD) que as já conhecidas variantes distribuídas do algoritmo least mean square (LMS) e muito próximo ao desempenho do algoritmo recursive least square (RLS). Além disso, propõe-se um algoritmo distribuído de optimização alternada de variáveis discretas e contínuas (DAMDC) baseado no LMS. O algoritmo DAMDC-LMS apresenta um desempenho muito próximo ao algoritmo oráculo e tem maior velocidade de convergência que os algoritmos estudados com exploração de esparsidade. Os resultados numéricos mostram que o algoritmo DAMDC-LMS pode ser aplicado em vários cenários. / [en] This dissertation proposes distributed adaptive algorithms exploiting sparsity for parameter and spectrum estimation over sensor networks. Conventional and modified conjugate gradient (CG and MCG) algorithms using consensus and diffusion strategies are presented. Sparsity-aware versions of CG an MCG algorithms using l1 and log-sum penalty functions are developed. The proposed sparsity-aware and non-sparse CG and MCG methods outperform the equivalent variants of the least-mean square (LMS) algorithms in terms of convergence rate and mean square deviation (MSD) at steady state, and have a close performance to the recursive least square (RLS) algorithm. The diffusion CG strategies have shown the best performance, specifically the adapt then combine (ATC) version. Furthermore a distributed alternating mixed discretecontinuous (DAMDC) algorithm to approach the oracle algorithm based on the diffusion strategy for parameter and spectrum estimation over sensor networks is proposed. An LMS type algorithm with the DAMDC proposed technique obtains the oracle matrix in an adaptive way and compare it with the existing sparsity-aware as well as the classical algorithms. The proposed algorithm has an improved performance in terms of MSD. Numerical results show that the DAMDC-LMS algorithm is reliable and can be applied in several scenarios.

[pt] Programar redes de sensores sem fio (RSSF) é uma tarefa difícil. O programador tem que lidar com várias atividades simultâneas em um ambiente com recursos extremamente limitados. Neste trabalho propomos um modelo de programação para facilitar essa tarefa. O modelo que propomos combina o uso de máquinas virtuais configuráveis baseadas em componentes com uma linguagem de script reativa que pode ser analisada estaticamente para evitar conitos de memória e execução de laços infinitos. Essa abordagem permite a exibilidade de carregamento remoto de código nos nós da rede combinado com um conjunto de garantias para o programador. A escolha de um conjunto específico de componentes numa configuração de máquina virtual define o nível de abstração visto pelo script da aplicação. Para avaliar esse modelo, construímos Terra, um sistema que combina a linguagem de script Céu-T com uma máquina virtual e uma biblioteca de componentes. Nós projetamos esta biblioteca considerando as funcionalidades comumente necessárias em aplicações de RSSF - tipicamente para sensoreamento e controle. Implementamos diferentes aplicações utilizando Terra e uma linguagem orientada a eventos baseados em C. Além disso discutimos as vantagens e desvantagens dessas implementações alternativas. Finalmente, também avaliamos Terra medindo o custo adicional em uma aplicação básica e discutimos sua utilização e custo em diferentes cenários de aplicações WSNs. / [en] Programming wireless sensors networks (WSN) is a difficult task. The programmer must deal with several concurrent activities in an environment with severely limited resources. In this work we propose a programming model to facilitate this task. The model we propose combines the use of configurable component-based virtual machines with a reactive scripting language which can be statically analyzed to avoid unbounded execution and memory conicts. This approach allows the exibility of remotely uploading code on motes to be combined with a set of guarantees for the programmer. The choice of the specific set of components in a virtual machine configuration defines the abstraction level seen by the application script. To evaluate this model, we built Terra, a system combining the scripting language Céu-T with the Terra virtual machine and a library of components. We designed this library taking into account the functionalities commonly needed in WSN applications - typically for sense and control. We implemented different applications using Terra and using an event-driven language based on C and we discuss the advantages and disadvantages of the alternative implementations. Finally, we also evaluate Terra by measuring its overhead in a basic application and discussing its use and cost in different WSN scenarios.

[pt] Apesar da pesquisa contínua para facilitar a programação de redes de sensores sem fio, a análise de perigos de concorrência ainda é de responsabilidade do programador, que deve tratar manualmente de questões como sincronização e memória compartilhada. Nós apresentamos uma linguagem de sistema que garante concorrência segura tratando ameaças em tempo de compilação. A fundamentação estática e síncrona da nossa abordagem permite um raciocínio mais simples sobre questões de concorrência, permitindo uma análise em tempo de compilação que garante programas determinísticos. Como contra-partida, nosso modelo impõe em termos da expressividade da linguagem, tais como para efetuar cálculos demorados, ou atender prazos estritos em tempo real. Nós implementamos diversos protocolos de rede conhecidos e o driver para rádio CC2420 para mostrar que a expressividade e responsividade obtida com a linguagem é suficiente para uma gama considerável de aplicações para redes de sensores. As implementações mostram uma redução de tamanho de código, com um aumento de memória abaixo de 10 porcento em comparação com nesC. O uso da linguagem proposta implica em diversas propriedades de segurança que se baseiam em abstrações de controle de alto nível, também resultando em código mais conciso e legível. / [en] Despite the continous research to facilitate Wireless Sensor Networks development, most safety analysis and mitigation efforts in concurrency are still left to developers, who must manage synchronization and shared memory explicitly. We propose a system language that ensures safe concurrency by handling threats at compile time, rather than at runtime. The synchronous and static foundation of our design allows for a simple reasoning about concurrency that enables compile-time analysis resulting in deterministic and memory-safe programs. As a trade-off, our design imposes limitations on the language expressiveness, such as doing computationally-intensive operations and meeting hard real-time responsiveness. To show that the achieved expressiveness and responsiveness is sufficient for a wide rage of WSN applications, we implement widespread network protocols and the CC2420 radio driver. The implemetations show a reduction in source code size, with a penalty of memory increase below 10 percent in comparison to nesC. Overall, we ensure safety properties for programs relying on high-level control abstractions that also lead to concise and readable code.

[pt] Esta dissertação apresenta uma estratégia para desenvolver mecanismos de compressão de dados adquiridos por sensores, seguindo como inspiração o processo utilizado no formato JPG2000. A estratégia adota a abordagem das séries históricas dos dados sob o ponto de vista do processamento de sinais. Dada à natureza instável dos sensores é natural que ruídos sejam adicionados ao sinal original. Estes ruídos são detectados e tratados enquanto o sinal é suavizado e limpo, facilitando a análise, ao passo que em que componentes pouco relevantes são removidos ou aproximados, permitindo que o sinal seja comprimido com pouca perda de informação. / [en] This dissertation introduces a strategy to develop a compression method for sensor data inspired on the JPG2000 techniques. The strategy adopted processes data streams much in the same way as signal processing. Due to the unstable nature of sensor data, noise is added to the original signal. This noise is detected and treated while the signal is cleaned and smoothed, making it easier to analyze the data stream. Less relevant signal components are removed or approximated allowing the signal to be compressed with few information loss.

[pt] Este trabalho avalia a coleta esporádica de dados em uma rede sem fio Bluetooth Mesh, usando o simulador OMNET (mais mais) INET. O coletor de dados é um nó sink em movimento, que poderia ser um smartphone ou outro dispositivo portátil, carregado por um pedestre, ciclista, animal, ou um drone. O nó sink poderia se conectar a uma rede mesh em áreas de difícil acesso onde não há acesso a internet, e coletar dados de sensores. Após implementar extensões ao Bluetooth Mesh, funcionalidades de nós Low Power e Friends no OMNET (mais mais), conseguimos propor e avaliar algoritmos para roteamento adaptativo, e com foco em mobilidade, de dados de sensores em direção ao nó sink. Uma variação de um dos algoritmos de roteamento propostos alcançou um aumento de 173,54 por cento na quantidade de dados únicos entregues ao nó sink em comparação ao algoritmo de roteamento padrão do Bluetooth Mesh. Neste caso, houve um aumento de apenas 4,63 por cento no consumo de energia para o mesmo cenário. Além disso, a taxa de entrega aumentou em 111.82 por cento. / [en] This work evaluates sporadic data collection on a Bluetooth Mesh network, using the OMNET (plus plus) INET simulator. The data collector is a roaming sink node, which could be a smartphone or other portable device, carried by a pedestrian, a biker, an animal, or a drone. The sink node could connect to a mesh network in hard-to-reach areas that do not have internet access and collect sensor data. After implementing Bluetooth Mesh relay extensions, Low Power, and Friend features in OMNET (plus plus), we were able to propose and evaluate algorithms for mobility-aware, adaptive, routing of sensor data towards the sink node. One variation of a proposed routing algorithm achieved a 173.54 percent increase in unique data delivered to the sink node compared to Bluetooth Mesh s default routing algorithm. In that case, there was only a 4.63 percent increase in energy consumption for the same scenario. Also, the delivery rate increased by 111.82 percent.

[pt] Redes de sensores sem fio (WSN) são uma importante alternativa na coleta de dados em diversas situações, tais como no monitoramento de grandes áreas ou áreas que apresentem perigo. A recuperação de dados de WSNs é uma importante atividade que pode obter melhores resultados com o uso de veículos aéreos não tripulados (UAV) como, por exemplo, em relação ao aumento da quantidade de dados coletados e diminuição do tempo entre a coleta dos dados e seu uso. Em particular, áreas tomadas por desastres podem ficar sem recursos de comunicação e com grande risco residual para humanos, momento no qual uma WSN pode ser rapidamente lançada por via aérea e atuar na coleta de dados relevantes até que medidas pertinentes e dedicadas possam ser colocadas em ação. Estudos apresentam abordagens no uso de UAVs para coleta dos dados de WSN, focando principalmente na otimização do caminho a ser percorrido por um único UAV e se baseando em uma comunicação de longo alcance sempre disponível, não explorando a possibilidade da utilização de diversos UAVs ou à limitação do alcance da comunicação. Neste trabalho apresentamos o DADCA, uma abordagem distribuída escalável capaz de coordenadar grupos de UAVs na coleta de dados de WSN sob restrições de alcance de comunicação, sem fazer uso de técnicas de otimização. Resultados indicam que a quantidade de dados coletados pelo DADCA é semelhante ou superior, em até 1 porcento, a abordagens de otimização de caminhos percorridos por UAVs. O atraso no recebimento de mensagens de sensores é até 46 porcento menor do que outras abordagens e o processamento necessário a bordo de UAVs é no mínimo menor do que 75 porcento do que aqueles que utilizam algoritmos baseados em otimização. Os resultados apresentados indicam que o DADCA é capaz de igualar e até superar outras abordagens apresentadas, agregando vantagens de uma abordagem distribuída. / [en] Wireless sensor networks (WSNs) are an important means of collecting data in a variety of situations, such as monitoring large or hazardous areas. The retrieval of WSN data can yield better results with the use of unmanned aerial vehicles (UAVs), for example, concerning the increase in the amount of collected data and decrease in the time between the collection and use of the data. In particular, disaster areas may be left without communication resources and with great residual risk to humans, at which point a WSN can be quickly launched by air to collect relevant data until other measures can be put in place. Some studies present approaches to the use of UAVs for the collection of WSN data, focusing mainly on optimizing the path to be covered by a single UAV and relying on long-range communication that is always available; these studies do not explore the possibility of using several UAVs or the limitations on the range of communication. This work describes DADCA, a distributed scalable approach capable of coordinating groups of UAVs in WSN data collection with restricted communication range and without the use of optimization techniques. The results show that the amount of data collected by DADCA is similar or superior, by up to 1 percent, to path optimization approaches. In the proposed approach, the delay in receiving sensor messages is up to 46 percent shorter than in other approaches, and the required processing onboard UAVs can reach less than 75 percent of those using optimization-based algorithms. The results indicate that the DADCA can match and even surpass other approaches presented, while also adding the advantages of a distributed approach.