Nos últimos anos, um dos principais desafios globais está relacionado com a eficiência energética, sendo o desperdício de energia um dos fatores a ser destacado. Tal desperdício pode ser superado com o uso do Sistema de Automação Residencial (SAR). Vale frisar que os SARs são fortemente dependentes da sua infraestrutura interna, visto que esta é a base de uma casa inteligente. A Rede de Sensores e Atuadores sem Fio (RSASF) é uma solução promissora e de fácil implantação para ser utilizada como infraestrutura em um SAR. Entretanto, o uso das RSASFs como infraestrutura para monitorar e atuar (isto é, processo de tomada de decisão) no contexto de um SAR traz um novo problema. Tal problema remete não apenas a falta de um método para realizar a decisão dentro do próprio nó da RSASF, mas também a ausência em investigar um trade-off entre a precisão nas tomadas de decisões e o consumo de energia dos nós da rede. Além disso, a falta de uma infraestrutura distribuída, com baixo overhead e que reduza a latência do serviço são algumas das novas problemáticas para serem exploradas. Com isso, tem-se como desafio embarcar uma maior inteligência em dispositivos com recursos escassos, característica presente em uma RSASF. Para superar tais limitações, esta tese apresenta duas soluções de decisões inteligentes para uma infraestrutura residencial, nomeadas como ResiDI e ImPeRIum. O ResiDI é baseado em uma rede neural para atuar no processo de tomada de decisão dentro da RSASF, bem como em um mecanismo de correlação temporal para maximizar a eficiência energética da infraestrutura de comunicação. Já o ImPeRIum é baseado em um conjunto heterogêneo de dispositivos inteligentes para formar um ambiente computacional de fog, o qual gerencia as aplicações da residência por meio de uma rede neural. As soluções foram avaliadas extensivamente em diferentes cenários e comparadas com um trabalho da literatura. Os resultados reais e simulados, avaliados mediante uma análise estatística paramétrica e não-paramétrica, mostrou atingir o objetivo desta tese, sendo quatro deles notáveis: (i) aumento da precisão nas tomadas de decisões; (ii) redução no consumo de energia dos nós da rede; (iii) redução no tempo de resposta da atuação com baixa sobrecarrega; e (iv) eficiência na disseminação das informações. / In recent years, energy efficiency has become a major global challenge, and energy waste is a factor that needs to be highlighted. Such waste can be overcome with the use of Home Automation System (HAS). It should be stressed that the HASs are strongly dependent on its internal network, since this is the basis of a smart home. Wireless Sensor and Actuator Networks (WSANs) provide a modern and ubiquitous infrastructure for a smart home. However, the use of WSANs to monitor and act (i.e. decision-making process) as a control infrastructure within the context of HAS poses a new problem. Such problem refers not only to the lack of a method to execute the decision-making process within the WSAN, but also to the lack of investigating a trade-off between the decision-making accuracy and the extension of the WSAN nodes life-time. In addition, the lack of a distributed infrastructure, with low overhead in processing and that reduces service latency are some of the new problems to be addressed in the literature. With this, one has as a challenge to embark on greater intelligence in devices with scarce resources, a feature present in a WSAN. To overcome such limitations, this thesis presents two intelligent decision-making solutions for residential infrastructures, named ResiDI and ImPeRIum. ResiDI was developed based on a neural network to act in the decision-making process within the network, as well as a temporal correlation mechanism to maximize the energy consumption in the networks nodes. ImPeRIum was based on a heterogeneous set of smart objects to form a fog computational environment, which manages the applications of the residence through a neural network. The solutions were evaluated extensively in different scenarios and compared with an approach in the literature. The real and simulated results, evaluated through parametric and non-parametric tests, show that solutions make four key contributions: (i) increased decisionmaking; (ii) reduction in node energy consumption; (iii) reduction in action response time with low overload; and (iv) efficiency in the transmission of information.

No início do século XX, poucas décadas depois do início da eletrificação das casas, o conceito de uma residência automatizada já era utilizado como símbolo de um futuro livre das tarefas domésticas. No entanto, mesmo com o desenvolvimento de tecnologias de suporte, a automação de residências nunca contemplou uma ampla disseminação e uso. Este trabalho realiza uma análise social, econômica, tecnológica, cultural e de saúde da sociedade, desde o início do século XX até os dias atuais, para entender o comportamento humano relativo ao ambiente residencial e identificar as possíveis causas que não favoreceram a implantação de sistemas de controle e automação nestes ambientes. Ele ainda propõe uma arquitetura de sistemas eletrônicos e computacionais para o ambiente residencial, baseada em um conjunto de requerimentos e de abstrações coerentes com o contexto socioeconômico vigente e factível diante das atuais disponibilidades tecnológicas, a fim de direcionar os esforços na área e fomentar o desenvolvimento de aplicações. Adicionalmente, é apresentada uma plataforma de desenvolvimento hardware, firmware e software , denominada Home Sapiens, cuja concepção, projeto e desenvolvimento foram feitos no contexto desta tese. Baseada em nós de controle distribuídos, ela permite o acesso aos dados provenientes de sensores, a geração de informações de contexto, a identificação de serviços e a manipulação das características do ambiente residencial segundo regras de decisão, planejamento e métodos de aprendizado baseados em técnicas de Inteligência Artificial / In the early twentieth century, a few decades after the beginning of the electrification of houses, the concept of an automated home was used as a symbol of a future free of domestic chores. However, even with the development of supporting technologies, the automation of homes never contemplated a wide dissemination and use. This paper presents an analysis social, economic, technological, cultural and health of society, from the early twentieth century to the present day, to understand human behavior on the residential environment and to identify possible causes that did not favor deployment of control systems and automation in these environments. It also proposes an architecture of computer and electronic systems for the residential environment, based on a set of applications and abstractions consistent with the current socioeconomic context and feasible under the available technology in order to direct efforts in the area and promote the development of applications. Additionally, the implementation of a framework hardware, firmware and software called Home Sapiens is presented, whose conception, design and development were made in the context of this thesis. Based on distributed control nodes, it provides access to data from sensors, the generation of information of context, the identification of services and handling characteristics of the residential environment in accordance with rules of decision, planning and learning methods based on Artificial Intelligence.

No início do século XX, poucas décadas depois do início da eletrificação das casas, o conceito de uma residência automatizada já era utilizado como símbolo de um futuro livre das tarefas domésticas. No entanto, mesmo com o desenvolvimento de tecnologias de suporte, a automação de residências nunca contemplou uma ampla disseminação e uso. Este trabalho realiza uma análise social, econômica, tecnológica, cultural e de saúde da sociedade, desde o início do século XX até os dias atuais, para entender o comportamento humano relativo ao ambiente residencial e identificar as possíveis causas que não favoreceram a implantação de sistemas de controle e automação nestes ambientes. Ele ainda propõe uma arquitetura de sistemas eletrônicos e computacionais para o ambiente residencial, baseada em um conjunto de requerimentos e de abstrações coerentes com o contexto socioeconômico vigente e factível diante das atuais disponibilidades tecnológicas, a fim de direcionar os esforços na área e fomentar o desenvolvimento de aplicações. Adicionalmente, é apresentada uma plataforma de desenvolvimento hardware, firmware e software , denominada Home Sapiens, cuja concepção, projeto e desenvolvimento foram feitos no contexto desta tese. Baseada em nós de controle distribuídos, ela permite o acesso aos dados provenientes de sensores, a geração de informações de contexto, a identificação de serviços e a manipulação das características do ambiente residencial segundo regras de decisão, planejamento e métodos de aprendizado baseados em técnicas de Inteligência Artificial / In the early twentieth century, a few decades after the beginning of the electrification of houses, the concept of an automated home was used as a symbol of a future free of domestic chores. However, even with the development of supporting technologies, the automation of homes never contemplated a wide dissemination and use. This paper presents an analysis social, economic, technological, cultural and health of society, from the early twentieth century to the present day, to understand human behavior on the residential environment and to identify possible causes that did not favor deployment of control systems and automation in these environments. It also proposes an architecture of computer and electronic systems for the residential environment, based on a set of applications and abstractions consistent with the current socioeconomic context and feasible under the available technology in order to direct efforts in the area and promote the development of applications. Additionally, the implementation of a framework hardware, firmware and software called Home Sapiens is presented, whose conception, design and development were made in the context of this thesis. Based on distributed control nodes, it provides access to data from sensors, the generation of information of context, the identification of services and handling characteristics of the residential environment in accordance with rules of decision, planning and learning methods based on Artificial Intelligence.

Submitted by Carmen Torres (carmensct@globo.com) on 2018-02-05T16:59:06Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_SmartcomArquiteturaInteligente.pdf: 6115605 bytes, checksum: e7635deb3e7a4d4e713eb377b019ecb4 (MD5) / Approved for entry into archive by Edisangela Bastos (edisangela@ufpa.br) on 2018-02-16T12:43:40Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_SmartcomArquiteturaInteligente.pdf: 6115605 bytes, checksum: e7635deb3e7a4d4e713eb377b019ecb4 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-02-16T12:43:40Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_SmartcomArquiteturaInteligente.pdf: 6115605 bytes, checksum: e7635deb3e7a4d4e713eb377b019ecb4 (MD5) Previous issue date: 2017-08-25 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Com os avanços na tecnologia da informação para diversas áreas, como saúe bem-estar, as soluções baseadas em Smart Home que usam as tecnologidaes Internet of Things (IoT) vem ganhando maior repercussão, inclusive como alternativas de economia de energia com base em Sistemas de Gerenciamento de Energia Domiciliar (SGED). Esta tese define uma arquitetura inovadora, denominada de SmartCoM, que é implementada para monitorar e gerenciar habitações residenciais usando tecnologias IoT. Tal estratégia envolve a definição dos parâmetros que podem efetivar a interoperabilidade entre medição, gerenciamento e as camadas de comunicação de dados, que são os recursos necessários para que os dispositivos de hardware possam realizar o monitoramento e medição pretendidos. Além disso, uma interface é definida por uma camada de middleware para integrar o gerenciamento de instalações externas e a visualização de dados por meio de um serviço em nuvem. A arquitetura SmartCoM é definida de maneira fim-a-fim, em detalhes do ponto de vista do consumidor e as estratégias de otimização s.o empregadas tanto para o cliente final quanto para a concessionária de energia. A fim de avaliar a arquitetura proposta, foi elaborado um estudo de caso, a partir do qual, observa-se a viabilidade do desenvolvimento de soluções para Smart Home de acordo com os requisitos descritos na SmartCoM. / With advances in information technology for a variety of areas, such as health and wellness, Smart Home based solutions using Internet of Things (IoT) technologies are gaining in popularity, including energy-saving alternatives based on Home Energy Management Systems (HEMS). This thesis defines an innovative architecture, called SmartCoM, which is implemented to monitor and manage residences using IoT technologies. Such a strategy involves defining the parameters that can affect the interoperability between measurement, management and the layers of data communication, which are the resources necessary for the hardware devices to perform the intended monitoring and measurement. In addition, an interface is defined by a middleware layer to integrate the management of external installations and the visualization of data through cloud services. The SmartCoM architecture is defined end-to-end in detail from the consumer's point of view and optimization strategies are employed for both the end customer and the utility. In order to evaluate the proposed architecture, a case study was elaborated, from which the viability of developing solutions for Smart Home according to the requirements described in SmartCoM is observed.

Submitted by Carmen Torres (carmensct@globo.com) on 2018-02-06T17:40:24Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_EstrategiasPlanejamentoOtimizacao.pdf: 6363892 bytes, checksum: 54af44d2043efdd661b641b9c67e1d29 (MD5) / Approved for entry into archive by Edisangela Bastos (edisangela@ufpa.br) on 2018-02-16T13:09:13Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_EstrategiasPlanejamentoOtimizacao.pdf: 6363892 bytes, checksum: 54af44d2043efdd661b641b9c67e1d29 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-02-16T13:09:13Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_EstrategiasPlanejamentoOtimizacao.pdf: 6363892 bytes, checksum: 54af44d2043efdd661b641b9c67e1d29 (MD5) Previous issue date: 2017-08-04 / O consumo energético residencial vem crescendo de forma contínua ao longo das últimas décadas, em contrapartida, o fornecimento de energia elétrica não acompanha a mesma taxa de crescimento, tornando-se uma dificuldade a ser tratada pelas empresas do setor elétrico, aos consumidores e ao próprio meio ambiente. Os sistemas de distribuição existentes não são suficientes e possuem limitações no fornecimento de informação adequada, em tempo real, sobre o consumo e outras variáveis elétricas. Também não estão preparados para lidar com custos da energia variáveis, num contexto de um mercado que tende a estabelecer preços dinâmicos, que dependem de um conjunto de fatores endógenos e exógenos ao setor elétrico. Nesse contexto, este trabalho tem como objetivo a proposição, implementação e teste de um sistema de monitoramento inteligente, via smartphone, para controle de energia, utilizando-se formas inteligentes de tomada de decisão, com o intuito de fornecer ao usuário formas de manter seu consumo energético, a partir de perfis de consumo, dentro dos padrões de consumo pré-definidos e desejados pelo usuário. Como consequências positivas, ter-se-á a redução da demanda energética, por meio dos perfis de consumo que levam em consideração o grau de dependência do indivíduo em relação aos equipamentos elétricos presente na residência, apresentando um menor impacto no bem-estar e no dia a dia do usuário final do sistema. / Residential energy consumption has grown steadily over the last decades, becoming a problem for companies in the electricity sector, for consumers and for the environment. The traditional measurement systems are not sufficient and have limitations in providing adequate real-time information about consumption. As also, they are not prepared to deal with variable energy costs in the context of a market with dynamic prices that depend on the energy mix. The future of electric grid, called Smart Grid, will not only be designed with measurements based on the residences, but also on the individualized equipment consumption level. From the residential side, consumers generally suffer from a lack of information on the specific equipment energy consumption impact and, consequently, on the required behavior to reduce its consumption. In this context, this work aims on a smartphone monitoring system concept, to control energy using fuzzy logic, in order to provide to the user ways to maintain his energy consumption, through consumption profiles, within the user-defined consumption patterns. The energy reduction demand through the consumption profiles working with habitant dependence degree on the electrical equipment present in the residence, promote a smaller impact on inhabitant well-being and the daily life.