Τα Δίκτυα Αισθητήρων αποτελούνται από ένα μεγάλο αριθμό μικρών αυτόνομων συσκευών, που αλληλεπιδρούν με το άμεσο περιβάλλον τους μέσω αισθητήρων, επικοινωνούν μεταξύ τους ασύρματα και συνεργάζονται φέροντας εις πέρας εργασίες που δε θα μπορούσε να ολοκληρώσει μία μόνο συσκευή. Κάθε συσκευή του δικτύου διαθέτει περιορισμένη υπολογιστική δύναμη και ενεργειακούς πόρους, επομένως η όσο το δυνατόν λιγότερη κατανάλωση ενέργειας είναι βασικό πρόβλημα των δικτύων αισθητήρων για τη μεγιστοποίηση του χρόνου ζωής τους. Συνήθως τα δίκτυα αισθητήρων αναπτύσσονται σε μεγάλες περιοχές ενδιαφέροντος για την υποστήριξη σημαντικών εφαρμογών του πραγματικού κόσμου. Η πληροφορία που ανιχνεύεται από τους κόμβους αισθητήρων προωθείται προς ένας σταθερό, συνήθως, κέντρο ελέγχου, με αναμεταδόσεις των δεδομένων στους ενδιάμεσους κόμβους. Η διαδικασία αυτή έχει ως αποτέλεσμα τη μεγάλη κατανάλωση ενέργειας στις συσκευές, ιδιαίτερα σε αυτές που βρίσκονται κοντά στο κέντρο ελέγχου, αφού πρέπει να αναμεταδίδουν και τα δεδομένα που φτάνουν από το υπόλοιπο δίκτυο προς το κέντρο ελέγχου. Για την επίτευξη μιας πιο ισορροπημένης και αποδοτικής διαδικασίας συλλογής δεδομένων, τα τελευταία χρόνια έχει υιοθετηθεί μια νέα προσέγγιση, όπου το κέντρο ελέγχου είναι κινητό. Η βασική ιδέα είναι ότι το κέντρο ελέγχου διαθέτει σημαντικά και εύκολα ανανεώσιμα αποθέματα ενέργειας, επομένως μπορεί να κινείται στην περιοχή όπου έχει αναπτυχθεί το δίκτυο αισθητήρων, αναλαμβάνοντας να συλλέξει τα δεδομένα από τους κόμβους με πολύ μικρό κόστος. Ωστόσο, η μετάδοση των δεδομένων μπορεί να παρουσιάζει σημαντικές καθυστερήσεις. Στην παρούσα εργασία αναπτύχθηκαν πρωτόκολλα ελέγχου της κίνησης ενός κέντρου ελέγχου σε δίκτυο αισθητήρων με ανομοιογενή ανάπτυξη των κόμβων αισθητήρων, με στόχο την αποδοτική, ως προς την ενέργεια και τον χρόνο παράδοσης, συλλογή των δεδομένων. Συγκεκριμένα, το κέντρο ελέγχου διαιρεί νοητά το δίκτυο σε περιοχές τις οποίες και επισκέπτεται διαδοχικά, σταματώντας σε κάθε περιοχή για ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα, ώστε να συλλέξει τα δεδομένα. Προτείνουμε δύο τρόπους κίνησης του κέντρου ελέγχου, ντετερμινιστικό και τυχαίο. Στην τυχαία κίνηση, η επιλογή της επόμενης περιοχής την οποία θα επισκεφτεί το κέντρο ελέγχου γίνεται με τυχαίο τρόπο, εισάγοντας όμως ένα όρο μεροληψίας, έτσι ώστε να προτιμούνται περιοχές που έχουν δεχτεί λιγότερες επισκέψεις. Επιπλέον η μέθοδός μας αποφασίζει το χρόνο παύσης σε κάθε περιοχή λαμβάνοντας υπόψιν κάποιες βασικές παραμέτρους του δικτύου, όπως τα αρχικά αποθέματα ενέργειας των κόμβων αισθητήρων και την πυκνότητα της κάθε περιοχής, έτσι ώστε να παραμένει περισσότερο χρόνο σε περιοχές με μεγαλύτερη πυκνότητα, άρα και μεγαλύτερη ποσότητα πληροφορίας. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται η γρήγορη κάλυψη όλου του δικτύου, καθώς επίσης και η δίκαιη εξυπηρέτηση των επιμέρους περιοχών του δικτύου. Τα προτεινόμενα πρωτόκολλα αξιολογήθηκαν πειραματικά μέσω προσομοίωσης, χρησιμοποιώντας ποικίλες τιμές για βασικές παραμέτρους του δικτύου και σύγκρινοντάς τα με σχετικές υπάρχουσες ευρέως αποδεκτές μεθόδους. Τα αποτελέσματα που πήραμε δείχνουν ότι τόσο ο χρόνος παράδοσης των μηνυμάτων, όσο και η ενέργεια που καταλώθηκε διατηρούνται σε χαμηλά επίπεδα, βελτιώνοντας σημαντικά την προηγούμενη σχετική έρευνα. / Wireless Sensor Networks consist of a large number of small, autonomous devices, that are able to interact with their inveronment by sensing and collaborate to fulfill their tasks, as, usually, a single node is incapable of doing so; and they use wireless communication to enable this collaboration. Each device has limited computational and energy resources, thus a basic issue in the applicastions of wireless sensor networks is the low energy consumption and hence, the maximization of the network lifetime. The collected data is disseminated to a static control point – data sink in the network, using node to node - multi-hop data propagation. However, sensor devices consume significant amounts of energy in addition to increased implementation complexity, since a routing protocol is executed. Also, a point of failure emerges in the area near the control center where nodes relay the data from nodes that are farther away. Recently, a new approach has been developed that shifts the burden from the sensor nodes to the sink. The main idea is that the sink has significant and easily replenishable energy reserves and can move inside the area the sensor network is deployed, in order to acquire the data collected by the sensor nodes at very low energy cost. However, the need to visit all the regions of the network may result in large delivery delays. In this work we have developed protocols that control the movement of the sink in wireless sensor networks with non-uniform deployment of the sensor nodes, in order to succeed an efficient (with respect to both energy and latency) data collection. More specifically, a graph formation phase is executed by the sink during the initialization: the network area is partitioned in equal square regions, where the sink, pauses for a certain amount of time, during the network traversal, in order to collect data. We propose two network traversal methods, a deterministic and a random one. When the sink moves in a random manner, the selection of the next area to visit is done in a biased random manner depending on the frequency of visits of its neighbor areas. Thus, less frequently visited areas are favored. Moreover, our method locally determines the stop time needed to serve each region with respect to some global network resources, such as the initial energy reserves of the nodes and the density of the region, stopping for a greater time interval at regions with higher density, and hence more traffic load. In this way, we achieve accelerated coverage of the network as well as fairness in the service time of each region.Besides randomized mobility, we also propose an optimized deterministic trajectory without visit overlaps, including direct (one-hop) sensor-to-sink data transmissions only. We evaluate our methods via simulation, in diverse network settings and comparatively to related state of the art solutions. Our findings demonstrate significant latency and energy consumption improvements, compared to previous research.

Ο ανερχόμενος κλάδος των ασύρματων δικτύων αισθητήρων (Wireless Sensor Networks - WSNs) συνδυάζει δυνατότητα αίσθησης, υπολογισμού και επικοινωνίας σε μια μικρή συσκευή. Ενώ οι δυνατότητες ενός και μόνο κόμβου – αισθητήρα (mote) είναι ελάχιστες, η συνύπαρξη πολλών τέτοιων συσκευών δικτυακά συνδεδεμένων μπορεί να οδηγήσουν σε νέες τεχνολογικές δυνατότητες. Κύριος στόχος αυτών των μικρών συσκευών – κόμβων είναι η δειγματοληψία διάφορων φυσικών μεγεθών, η επεξεργασία αυτών των μεγεθών – μετρήσεων και τέλος, η επικοινωνία του κάθε κόμβου με άλλους με στόχο την μετάδοση αυτών των μετρήσεων – πληροφορίας ασφαλώς και αξιόπιστα. Τα κύρια χαρακτηριστικά αυτών των κόμβων όπως, μικρό μέγεθος, χαμηλό κόστος, αυτονομία και δυνατότητα επικοινωνίας είναι που τα κάνουν τόσο ευέλικτα προσδίδοντας έτσι τη δυνατότητα για ανάπτυξη και υλοποίηση χιλιάδων εφαρμογών. Τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων μπορούν να συμβάλουν σε κρίσιμες εφαρμογές που δεν περιορίζονται αποκλειστικά στον ερευνητικό και επιστημονικό χώρο αλλά επεκτείνονται και στον χώρο της υγείας και της ασφάλειας, όπως παρακολούθηση και επίβλεψη ασθενών, πρόβλεψη και αντιμετώπιση φυσικών καταστροφών, οικιακές εφαρμογές, και στοχεύουν στην βελτίωση της ποιότητας ζωής του ατόμου και της κοινωνίας ως σύνολο. Στο πλαίσιο της παρούσας διπλωματικής εργασίας έγινε προσπάθεια προσέγγισης μιας ανεξερεύνητης έως τώρα σε βάθος εφαρμογής Ασυρμάτων Δικτύων Αισθητήρων, των λεγόμενων «έξυπνων» πόλεων, ως προς τις επικοινωνιακές απαιτήσεις και τους περιορισμούς που θέτει και μια προσπάθεια καταγραφής και αξιολόγησης της απόδοσης και της συμπεριφοράς WSN τεχνολογιών υλικού και επικοινωνιακών τεχνικών σε σχέση με τις απαιτήσεις και τους περιορισμούς αυτούς. Παρουσιάζονται πειραματικά δεδομένα από μετρήσεις που διεξήχθησαν σε εξωτερικό περιβάλλον και εξάγονται χρήσιμα συμπεράσματα σχετικά με μελλοντικές κατευθύνσεις. / The increasingly interesting research field of Wireless Sensor Networks combines the possibility of sensing, computing and networking in a small device. While the capabilities of a single sensor node are limited, the combination of multiple such devices communicating over a network may lead to new technological possibilities and challenges. The main goal of these device nodes is the sampling of several physical values, their processing and the communication of the results to other nodes in a safe and reliable way. The main characteristics of wireless sensor nodes such as the small size, the low cost, autonomy and communication capacity render them flexible and suitable for the development of thousands of applications. Wireless sensor networks are most popular for critical applications that go beyond the research and scientific domain expanding to health, environment and security application classes, like surveillance, patient monitoring, natural disaster prediction and home applications, targeted to improve the quality of life of a single person and of society in general. In the context of this master thesis, the state of the art of a WSN application has been investigated, namely smart cities application field, with respect to the imposed networking requirements and communicational restrictions as well as the analysis and evaluation of the behavioral performance of WSN hardware and communication technologies as far as these requirements and limits are concerned. Finally, experimental results are presented based on measurements conducted outdoors and useful conclusions are extracted forming a future roadmap.

Η παρούσα μεταπτυχιακή εργασία καταπιάνεται με την περιοχή των Aσύρματων Δικτύων Αισθητήρων και τα προβλήματα που αυτά αντιμετωπίζουν στην αποδοτική δρομολόγηση της πληροφορίας. Τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων είναι πολύπλοκα συστήματα που αποτελούνται από έναν αριθμό από σχετικά απλές και αυτόνομες συσκευές αίσθησης, οι οποίες αναπτύσσονται σε μια γεωγραφική περιοχή. Η ιδιομορφία των συσκευών αυτών έγκειται στο ότι αντιμετωπίζουν περιορισμούς όσων αφορά τόσο το ενεργειακό τους απόθεμα και συνεπώς την επιχειρησιακή ζωή τους, όσο και στις ικανότητές τους να επεξεργάζονται, αποθηκεύουν και zεκπέμπουν πληροφορία. Η χρησιμότητα των Ασύρματων Δικτύων Αισθητήρων (ΑΔΑ) στηρίζεται στην ικανότητά τους να αναπτύσσονται εύκολα και σχετικά φθηνά, σε μια περιοχή ενδιαφέροντος στην οποία και παρακολουθούν κάποιο συγκεκριμένο φαινόμενο. Επιπλέον φροντίζουν να ενημερώνουν τους σταθμούς βάσης για την κατάσταση και την εξέλιξη του φαινομένου. Στο πλαίσιο αυτό έχουν αναπτυχθεί μια σειρά από αρχιτεκτονικές ασύρματων αισθητήριων κόμβων αλλά και ποικίλα πρωτόκολλα επικοινωνίας αυτών, τα οποία τα δομούν σε δίκτυα. Η συνεισφορά μας έγκειται στην πρόταση τριών νέων πρωτοκόλλων επικοινωνίας για τα ΑΔΑ τα οποία προσπαθούν να εφαρμόσουν την ιδέα της Δικαιοσύνης επιδιώκοντας να βελτιώσουν τόσο την απόδοση των ΑΔΑ όσο και να επιμηκύνουν την επιχειρησιακή τους ζωή. Τα πρωτόκολλα που παρουσιάζουμε άντλησαν την έμπνευσή τους από το πρωτόκολλο PFR (Πρωτόκολλο Πιθανοτικής Προώθησης των Χατζηγιαννάκη, Δημητρίου, Νικολετσέα και Σπυράκη). Όλα τα προτεινόμενα πρωτόκολλα κατηγοριοποιούνται στο επίπεδο Δικτύου του μοντέλου OSI. / This MSc thesis is about Wireless Sensor Networks and focuses on the problems these networks face in order to route information efficiently Wireless Sensor Networks (WSNs) are complex systems which consist of a number of relative simple autonomous sensing devices. These devices are deployed on a geographical area. The particularity of them lies on the fact that they face serious limitations concerning their energy reserves and consequently their operational life as well as regarding their computational, storage and communication capabilities. WSN's usefulness is mainly about its ability of easy and cheap deployment on an area of concern, where it monitors a particular phenomenon. Moreover the WSN's nodes take the initiative to inform certain base stations regarding the status and evolution of this phenomenon. In this context there is a great volume of work in relation to sensor node architectures and communication protocols which turn these numbers of devices to working networks. Our contribution sums up to the proposal of three novel communication protocols for WSNs, which attempt to enforce the idea of Fairness in order to better WSN�s performance and elongate their life. These protocols are highly influenced by PFR protocol introduced by Chatzigiannakis, Demetriou, Nikoletseas and Spirakis. All the proposed protocols belong to the network layer of the OSI standard.

Στην παρούσα εργασία έγινε μια πρώτη προσπάθεια ενασχόλησης με τα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων, πιο γνωστά στον επιστημονικό κόσμο ως Wireless Sensor Networks ή WSNs. Μελετήσαμε τα βασικά χαρακτηριστικά των δικτύων αυτών, όπως οι τοπολογίες τους και η αρχιτεκτονική τους. Επίσης, μελετήσαμε την αρχιτεκτονική των ασύρματων κόμβων που απαρτίζουν το δίκτυο, που είναι γνωστά σαν motes. Τα motes έχουν την ικανότητα τοπικής επεξεργασίας των δεδομένων που συλλέγουν και την ασύρματη μετάδοσή τους σε έναν κεντρικό σταθμό για περαιτέρω επεξεργασία. Τη λειτουργία αυτή διεκπαιρεώνει μια μονάδα μικροεπεξεργαστή με τη χρήση ενός ολοκληρωμένου chip για την ασύρματη μετάδοση. Για τη συλλογή των μετρήσεων μπορούν να φιλοξενήσουν διάφορες πλατφόρμες ψηφιακών αισθητήρων. Στην παρούσα εργασία έγινε χρήση της υπολογιστικής μονάδας micaz και της πλατφόρμας αισθητήρων MTS400/420. Οι πλατφόρμες αυτές φιλοξενούν αισθητήρες υγρασίας/θερμοκρασίας, βαρομετρικής πίεσης/θερμοκρασίας, φωτεινότητας, μέτρησης δονήσεων και ειδικά η 420 πλατφόρμα έχει υποδοχή και για μονάδα GPS. Σκοπός μας ήταν η ανάπτυξη ενός γραφικού περιβάλλοντος μέσω του οποίου θα απεικονίζαμε τις μετρήσεις που έστελναν στον υπολογιστή τα motes. Η ανάπτυξη του γραφικού περιβάλλοντος έγινε στο Matlab. Για το σκοπό αυτό, ήταν απαραίτητη η σύνδεση ενός mote στον υπολογιστή που θα λειτουργούσε σαν ενδιάμεσος αποδέκτης των δεδομένων και θα τα προωθούσε στον υπολογιστή μέσω της σειριακής θύρας. Για την προβολή και αποθήκευση των δεδομένων στον υπολογιστή, έγινε χρήση του interface Χlisten. / At this thesis there was a first attempt of occupation with Wireless Sensor Networks, most kown to the scientific world as WSNs. We studied the basic characteristics of these networks such as topologies and architecture. We also studied the architecture of the wireless nodes which form the network, also known as motes.The motes have the ability of local data computation and the wireless transmition of them to a base station, where they can further processed. This ability is performed by a microprocessor unit with the use of a single integrated chip responsible for the radio transmition. The data collection can be performed by many digital sensor platforms. At this paper, it has been used the micaz computional unit and the MTS400/420 sensor platform of Crossbow company. These platforms are integrated with sensors that measure relative humidity/temperature, barometric pressure/temperature, illumination, acceleration on axis x and y and especially the 420 platform can integrate a GPS module. Our goal is the development of a Graphical User Interface (GUI) through which we can plot the data that the sensors would send. The development of GUI made with Matlab. For this purpose, it was necessary the connection of a mote to the computer, that would behave like an intermediate receiver and would forward the data packets to the computer through the serial port. The MIB520 board was used for this purpose. For the data projection and saving to the computer, the xlisten interface was used.

Τις τελευταίες δεκαετίες ο όρος τεχνολογία έχει συνδεθεί στενά με την επιστήμη των υπολογιστών και την επεξεργασία της πληροφορίας. Από την στιγμή που η πληροφορία έχει πάρει ψηφιακή μορφή γίνεται ευκολότερη η επεξεργασία της, γεγονός που δημιουργεί ολοένα και υψηλότερες απαιτήσεις στην διαδικασία μεταφοράς της. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την υλοποίηση δικτύων υπολογιστών μέσω -συνδυασμού ή όχι - ενσύρματων, ασύρματων ή οπτικών καναλιών μετάδοσης. Η εξέλιξη των τελευταίων χρόνων ειδικότερα στον χώρο των ασύρματων τηλεπικοινωνιών και ηλεκτρονικών, έχει ανοίξει τον δρόμο για την δημιουργία ασύρματων δικτύων αισθητήρων – WSN (Wireless Sensor Networks) χαμηλού κόστους. Ένα τέτοιο δίκτυο αποτελείται από ένα σύνολο κόμβων (nodes) πυκνά τοποθετημένων μεταξύ τους. Κάθε ένας από αυτούς αποτελείται από μια διάταξη αισθητήρων και έναν μικροελεγκτή. Με αυτόν τον τρόπο έχει την δυνατότητα να υλοποιεί απλούς υπολογισμούς και να στέλνει τα απαραίτητα μηνύματα στο δίκτυο. Η μεταφορά των μηνυμάτων ακολουθεί τυχαία ή προκαθορισμένη διαδρομή (routing) με απόσταση έναν κόμβο τη φορά (one hop). Μέσα από μια σειρά τέτοιων μεταφορών (multi-hop), τα δεδομένα που συλλέγονται από τους κόμβους φθάνουν στον κεντρικό υπολογιστή για την τελική επεξεργασία και απεικόνιση. Τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές που έχουν σχέση με την παρατήρηση και καταγραφή φυσικών φαινόμενων, ή ανίχνευση συμβάντων (event – driven). / The last decades the term “technology” has been closely related to the computers science and the process of information. By the time information has had a digital form its process has become easier, something that creates more demands at the process of its transfer. This results to the computer networks – combining or not – wired, wireless or fiber optics. Last year’s development especially in the field of wireless telecommunications has helped the creation of WSN (Wireless Sensor Networks) of low cost. Such a network is consisted of a set of nodes closely located. Each one is consisted of an arrangement of sensors and a microcontroller, having the potential to carry out simple calculations and sending the required data to the network. This transmission follows a random or a predetermined routing with one hop distance. The data collected from the nodes reach the central computer for the final process and depiction through a series of multi-hop. The Wireless Sensor Networks are utilized in applications related to the observation of natural phenomena or tracing events (event-driven).

Ο συνεχώς αυξανόμενος κλάδος των ασύρματων δικτύων αισθητήρων συνδυάζει αρμονικά την επιστήμη των μικροϋπολογιστών με την επιστήμη των τηλεπικοινωνιών με έναν κοινό στόχο. Ο στόχος αυτός είναι η υλοποίηση μίας κατανεμημένης διεργασίας, η οποία περιλαμβάνει μέτρηση σημάτων από αισθητήρες, επεξεργασία της μέτρησης και αποστολή αυτής στο δίκτυο για περαιτέρω επεξεργασία με όσο δυνατόν μεγαλύτερη αξιοπιστία και μικρότερο κόστος σε επεξεργαστική ισχύ και ενέργεια. Οι εφαρμογές που μπορούν να προκύψουν είναι αναρίθμητες και περιορίζονται μόνο από την φαντασία του μηχανικού. Ενδεικτικοί τομείς εφαρμογής είναι η υγεία, τα αμυντικά συστήματα, η βιομηχανία, το περιβάλλον και άλλοι. Στην εργασία αυτή θα επικεντρωθούμε στον τομέα του περιβάλλοντος και πιο συγκεκριμένα στην ανίχνευση δασικών πυρκαγιών. Τα προβλήματα που προκύπτουν και επιβάλλουν επίλυση είναι το πρόβλημα της εύρεσης αξιόπιστης μεθόδου ανίχνευσης πυρκαγιάς και το πρόβλημα της επιλογής κατάλληλου πρωτοκόλλου δρομολόγησης που θα εκπληρώσει το επικοινωνιακό έργο. / --

Τα Wireless Sensor Networks (WSNs) είναι μια σχετικά νέα τεχνολογία, της οποίας η σημαντικότητα έχει αναγνωριστεί από την επιστημονική κοινότητα και έχει προοπτικές για εφαρμογή σε πολλές περιπτώσεις που απαιτείται επίβλεψη και έλεγχος σε μεγάλες εκτάσεις, όπως ο έλεγχος καλής λειτουργίας κτηρίων και κατασκευών, παρακολούθηση στρατιωτικών περιοχών, παρακολούθηση και έλεγχος καλλιεργειών ή ακόμα και επίβλεψη της υγείας ενός ασθενούς. Είναι προφανές πως σε πολλά από αυτά τα σενάρια εφαρμογών τα δεδομένα που αποκτώνται και ανταλλάσσονται μέσα σε αυτά τα δίκτυα είναι ευαίσθητα και η απόκρυψή τους από τρίτους, καθώς και η αποτροπή προσθήκης ψευδών δεδομένων από τρίτους είναι υψίστης σημασίας. Καθώς όμως τα δίκτυα αυτά αποτελούνται από χαμηλής υπολογιστικής δυνατότητας κόμβους, (τόσο λόγω οικονομίας, ώστε, δεδομένου του αριθμού των κόμβων που απαιτούνται για τέτοιες εφαρμογές, το κόστος να κρατηθεί σε λογικά επίπεδα, όσο και για λόγους κατανάλωσης ενέργειας) απαιτείται η χρήση αλγορίθμων ασφαλείας μικρών υπολογιστικών και επικοινωνιακών απαιτήσεων. Για την επίτευξη ασφαλούς επικοινωνίας μεταξύ των κόμβων με μικρή υπολογιστική επιβάρυνση, υλοποιούνται συμμετρικοί αλγόριθμοι κρυπτογραφίας, και για τη διαχείριση των κλειδιών κρυπτογραφίας το πρωτόκολλο διαχείρισης κλειδιών S2RP, το οποίο καθορίζει μεθόδους διανομής, αλλά και ακύρωσης συμμετρικών κλειδιών. Το πρωτόκολλο αυτό μπορεί να διατηρήσει προς τα εμπρός και προς τα πίσω ασφάλεια (ασφάλεια των μελλοντικών μεταδόσεων, και ασφάλεια των δεδομένων που έχουν ήδη μεταδοθεί αντίστοιχα) των δεδομένων σε δυναμικά μεταβαλλόμενες τοπολογίες (πχ. πρόσθεση νέου κόμβου ή ανακάλυψη εκτεθειμένου κόμβου που πρέπει να αφαιρεθεί από την τοπολογία). Στο πλαίσιο της εργασίας, έγινε υλοποίηση του πρωτοκόλλου S2RP, καθώς και κρυπτογραφικών αλγορίθμων που απαιτούνται για την εφαρμογή του. Η υλοποίηση έγινε αρχικά σε ένα γραφικό περιβάλλον εξομοίωσης, που δημιουργήθηκε για τον έλεγχο του πρωτοκόλλου σε επίπεδο πακέτου, ενώ στη συνέχεια έγινε μεταφορά του πρωτοκόλλου σε δίκτυο από ασύρματους αισθητήρες TelosB. / Wireless Sensor Networks (WSNs) are a relatively new technology, the importance of which is widely recognized in academia. They have great potential for use in applications requiring monitoring and control over large areas, like integrity and operational monitoring of buildings and structures, military surveillance, crop monitoring or even health monitoring. It is obvious that the data transfered in most of these applications are of a sensitive nature, and preventing a third party from accessing that data, or injecting its own forged data in the network is of utmost importance. However, because of the low computational power and network performance of these networks' nodes (which is due to economic reasons - so as to keep cost in reasonable levels in high node count networks, as well as for energy consumption reasons), the use of algorithms and protocols of low computational and communication requirements is mandatory. To achieve secure communication between the nodes of a such network, we implement symmetric key cryptographic algorithms, and the protocol S2RP (Secure and Scalable Rekeying Protocol) for key management. S2RP defines procedures for key distribution and revocation, with the use of which it can maintain forward and backward communication security (e.g. connection of a new node, or discovery of an exposed node, which must be removed) for dynamic network topologies. For the purpose of this thesis, we implemented the S2RP protocol, as well as the additional cryptographic primitives that are needed to achieve secure communication in a network. The implementation was initially made within a graphical simulator, which we implemented to test the protocol in the packet level. Finally, we ported the protocol to a network of TelosB motes.

Τα κυψελικά αυτόματα (ΚΑ) αποτελούν την εξιδανίκευση ενός φυσικού συστήματος όπου ο χώρος και ο χρόνος είναι διακριτοί και οι φυσικές ποσότητες λαμβάνουν μόνο ένα πεπερασμένο σύνολο τιμών. Τα κυψελικά αυτόματα αποτελούνται από ένα πλέγμα με διακριτούς πανομοιότυπους κόμβους. Κάθε σημείο-κόμβος του πλέγματος χαρακτηρίζεται από μία τιμή η οποία δεν είναι αυθαίρετη, αλλά λαμβάνεται από ένα συγκεκριμένο σύνολο ‘επιτρεπτών’ ακέραιων τιμών. Οι τιμές αυτών των κόμβων του πλέγματος εξελίσσονται από τη μία χρονική στιγμή στην άλλη σύμφωνα με προκαθορισμένους τοπικούς κανόνες. Η συνολική δομή αποτελεί ένα μοντέλο παράλληλου υπολογισμού. ΄Οταν η απλή δομή του μοντέλου επαναλαμβάνεται, προκύπτουν πολύπλοκα πρότυπα που μπορούν να προσομοιώσουν ποικίλα πολύπλοκα φυσικά φαινόμενα και συστήματα. Χρησιμοποιούμε τα κυψελικά αυτόματα για να προσομοιώσουμε έναν αλγόριθμο ελέγχου τοπολογίας για ασύρματα δίκτυα αισθητήρων. Τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων αποτελούνται από ένα μεγάλο αριθμό διασκορπισμένων αισθητήρων-κόμβων που λειτουργούν με μπαταρίες. Σκοπός του προβλήματος ελέγχου τοπολογίας σε ασύρματα δίκτυα αισθητήρων είναι η επιλογή κατάλληλου υποσυνόλου κόμβων ικανών να παρακολουθούν μια περιοχή με στόχο τη μικρότερη δυνατή κατανάλωση ενέργειας και ως εκ τούτου την επέκταση της διάρκειας ζωής του δικτύου. / Cellular automata (CA) are an idealization of a physical system where space and time are discrete and the physical quantities take only a finite set of values. Cellular automata consist of a regular grid of identical cells-nodes. Each node is characterized by a non arbitrary value selected by a specific set of appropriate integers. The values of the nodes change over time according to predefined localized rules. The overall structure can be viewed as a parallel processing device. This simple structure when iterated several times produces complex patterns displaying the potential to simulate different sophisticated natural phenomena. We use cellular automata for simulating a topology control algorithm in Wireless Sensor Networks (WSNs). WSNs are composed of a large number of distributed sensor nodes operating on batteries; the objective of the topology control problem in WSNs is to select an appropriate subset of nodes able to monitor a region at a minimum energy consumption cost thus extending the network lifetime.

Στην παρούσα μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία μελετάται ο σχεδιασμός, η ανάπτυξη, η εγκατάσταση και λειτουργία ολοκληρωμένων εφαρμογών δίαχυτου υπολογισμού με χρήση ετερογενών ασυρμάτων αισθητήρων. Η ασύρματη επικοινωνία ετερογενών συσκευών σε ένα διάχυτο σύστημα παρουσιάζει σημαντικά προβλήματα καθώς χρησιμοποιούνται συσκευές με εντελώς διαφορετική αρχιτεκτονική, διαφορετικά χαρακτηριστικά και διαφορετικές δυνατότητες όσον αφορά τις τεχνολογίες που υποστηρίζουν για την υλοποίηση εφαρμογών σε αυτές. Αρχικά εστιάζουμε στον εντοπισμό των αιτιών που δεν επιτρέπουν την ασύρματη επικοινωνία των συσκευών και προτείνουμε συγκεκριμένες λύσεις. Προτείνουμε επίσης, μια αρχιτεκτονική ενός συγκεκριμένου συστήματος η οποία βασίζεται σε μια ιεραρχία επιπέδων προσφέροντας επεκτασιμότητα καθώς επίσης και χρήση διαφορετικών συσκευών.Για την μελέτη της συμπεριφοράς του συστήματος αναπτύσσονται συγκεκριμένες εφαρμογές οι οποίες παρουσιάζουν τις δυνατότητες του. / Within the scope of this MSc dissertation, we discuss the design and implementation of pervasive applications on top of heterogeneous wireless sensor network environment. The wireless communication between heterogeneous devices is an inherently difficult research problem due to fundamental differences in system architecture, properties and capabilities of the these devices. Initially, our research focused on the identification of the problems related to the intercommunication among the devices of a heterogeneous wireless sensor network. As a solution, we propose a new abstract system that provides the key qualities needed for a successful pervasive system; expandability, scalability and performance. The new architecture achieves interoperability among the devices by introducing abstraction in the communication protocol. In order to demonstrate the applicability of our system we include various representative use case scenarios, that illustrate the usage of our infrastructure.

Αντικείμενο της εργασίας αυτής είναι η μελέτη και κατασκευή εφαρμογής ασύρματου δικτύου με σκοπό την αναγνώριση της ανθρώπινης δραστηριότητας και τον εντοπισμό της πτώσης σε πραγματικό χρόνο, καθώς επίσης και την παρακολούθηση των αποτελεσμάτων από απομακρυσμένη τοποθεσία. Στη συγκεκριμένη εργασία σκοπός είναι η αναγνώριση των τεσσάρων βασικών καταστάσεων της ανθρώπινης φυσικής δραστηριότητας (κάθομαι, ξαπλώνω, στέκομαι, κινούμαι) και ο εντοπισμός της πτώσης με χρήση της των επιταχυνσιομέτρων που προσφέρει η πλατφόρμα SunSpot καθώς και η σύνδεση της διάταξης με το διαδίκτυο για την παροχή πληροφορίας σχετικά με την κατάσταση του κατόχου του συστήματος σε απομακρυσμένη τοποθεσία. Πραγματοποιήθηκε μελέτη σχετικά με διάφορες διατάξεις των αισθητήρων ,την συχνότητα δειγματοληψίας, τους αλγορίθμους κατάταξης καθώς και για τις μεθόδους διάθεσης της πληροφορίας στο διαδίκτυο. Για την αναγνώριση των καταστάσεων και τον εντοπισμό της πτώσης χρησιμοποιήθηκαν δυο πλατφόρμες αισθητήρων SunSPOT, μια στο στήθος (master) και μια στο δεξιό τετρακέφαλο (slave) / A wearable wireless sensor network application performing human activity recognition and fall detection using the Naïve Bayesian Classifier algorithm in the SunSpot Platform accompanied by a web application in the Google App Engine platform to be able to monitor the classification results from a remote location and to automatically notify via e-mail in case of emergency.