Reducing the energy consumption of available resources is still a problem to be solved in Wireless Sensor Networks (WSNs). Many types of existing routing protocols are developed to save power consumption. In these protocols, cluster-based routing protocols are found to be more energy efficient. A cluster head is selected to aggregate the data received from root nodes and forwards these data to the base station in cluster-based routing. The selection of cluster heads should be efficient to save energy. In our proposed protocol, we use static clustering for the efficient selection of cluster heads. The proposed routing protocol works efficiently in large as well as small areas. For an optimal number of cluster head selection we divide a large sensor field into rectangular clusters. Then these rectangular clusters are further grouped into zones for efficient communication between cluster heads and a base station. We perform MATLAB simulations to observe the network stability, throughput, energy consumption, network lifetime and the number of cluster heads. Our proposed routing protocol outperforms in large areas in comparison with the LEACH, MH-LEACH, and SEP routing protocols.

Recent advances in wireless communications along with developments in low-power circuit design and micro-electro mechanical systems (MEMS) have heralded the advent of compact and inexpensive wireless micro-sensor devices. A large network of such sensor nodes capable of communicating with each other provides significant new capabilities for automatically collecting and analyzing data from physical environments. A notable feature of these networks is that more nodes than are strictly necessary may be deployed to cover a given region. This permits the system to provide reliable information, tolerate many types of faults, and prolong the effective service time. Like most wireless systems, achieving low power consumption is a key consideration in the design of these networks. This thesis presents algorithms for managing power at the distributed system level, rather than just at the individual node level. These distributed algorithms allocate work based on user requests to the individual sensor nodes that comprise the network. The primary goal of the algorithms is to provide a robust and scalable approach for tasking nodes that prolongs the effective life of the network. Theoretical analysis and simulation results are presented to characterize the behavior of these algorithms. Results obtained from simulation experiments indicate that the algorithms can achieve a significant increase in the life of the network. In some cases this may be by an order of magnitude. The algorithms are also shown to ensure a good quality of sensor coverage while improving the network life. Finally, they are shown to be robust to faults and scale to large numbers of nodes. / Master of Science

Το Διαδίκτυο αναμφίβολα αποτελεί την μεγαλύτερη ανακάλυψη στον τομέα διάδοσης της πληροφορίας από την εποχή του Γουτεμβέργιου και της τυπογραφίας, έχοντας ριζικά αλλάξει τον τρόπο επικοινωνίας και αλληλεπίδρασης των ανθρώπων. Στον πυρήνα του Διαδικτύου βρίσκονται τεχνολογίες οι οποίες αναπτύχθηκαν με σκοπό την επίτευξη επικοινωνίας ανάμεσα σε ετερογενή συστήματα και δίκτυα. Με αυτό τον τρόπο, ενώ το Διαδίκτυο αρχικά αποτελείτο αποκλειστικά από δίκτυα υπολογιστών, στην συνέχεια ενσωματώθηκαν σε αυτό και άλλοι τύποι δικτύων όπως τα σταθερά τηλεφωνικά δίκτυα, τα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας, τα δορυφορικά δίκτυα, κ.α. Πλέον το Διαδίκτυο αποτελεί ένα μετα-δίκτυο δικτύων το οποίο συνεχίζει να επεκτείνεται και οι αντίστοιχες υποστηρικτικές τεχνολογίες συνεχίζουν να εξελίσσονται. Στο ορατό μέλλον, στο Διαδίκτυο θα προστεθούν και τα ενσωματωμένα συστήματα ελέγχου πραγματώνοντας με αυτό τον τρόπο το όραμα του Διαδικτύου των Αντικειμένων (Internet of Things). Η κύρια υποστηρικτική τεχνολογία για το Διαδίκτυο των Αντικειμένων είναι τα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων (Α.Δ.Α.). Τα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων αποτελούν μία ειδική κατηγορία κατανεμημένων και αυτό-οργανούμενων δικτύων τα οποία υπόσχονται να γεφυρώσουν το χάσμα ανάμεσα στον φυσικό και τον ψηφιακό κόσμο. Αποτελούνται από μικρές αυτόνομες συσκευές, περιορισμένων υπολογιστικών δυνατοτήτων, εξοπλισμένες με ψηφιακούς αισθητήρες. Οι συσκευές αυτές συλλέγουν δεδομένα και δουλεύοντας συνεργατικά μεταξύ τους, τα διαδρομούν μέσω πολύ-βηματικών μεταδόσεων. Με αυτό τον τρόπο, αν και ο κάθε κόμβος του δικτύου χαρακτηρίζεται από σημαντικούς περιορισμούς (στην υπολογιστική ισχύ, την ενέργεια, την ασύρματη επικοινωνία, κ.α.) τα δίκτυα τα οποία συντίθενται είναι σε θέση να φέρουν εις πέρας δύσκολα υπολογιστικά προβλήματα, παράγοντας και διακινώντας μεγάλες ποσότητες πληροφορίας. Η διατριβή που κρατάτε στα χέρια σας αποτελεί προϊόν πρωτότυπης έρευνας σε ζητήματα αποδοτικής συλλογής δεδομένων από Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων, ενώ έχει παρουσιαστεί σε γνωστά επιστημονικά περιοδικά και ανταγωνιστικά συνέδρια διεθνούς κύρους. Το κείμενο είναι οργανωμένο σε τρεις ενότητες. Στην πρώτη ενότητα μελετώνται θέματα κίνησης στα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων. Πιο συγκεκριμένα προτείνεται μια οικογένεια ευρετικών αλγορίθμων για την γρήγορη και αποδοτική συλλογή δεδομένων από δίκτυα τα οποία χαρακτηρίζονται από έντονη και δυναμική κινητικότητα των κόμβων. Επιπλέον, μελετώνται οι τυχαίοι περίπατοι ως απλές, αποδοτικές στρατηγικές κίνησης κέντρων ελέγχου για την συλλογή δεδομένων σε δίκτυα αισθητήρων με στατικούς κόμβους. Για την αναπαράσταση των δικτύων χρησιμοποιούνται τα μοντέλα του πλέγματος και των τυχαίων γεωμετρικών γράφων. Στην δεύτερη ενότητα μελετώνται δύο πρόσφατα θεμελιωμένα προβλήματα στα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων (σχετιζόμενα με πρόσφατες τεχνολογικές εξελίξεις) και παρουσιάζονται αντίστοιχες πρωτότυπες προσεγγίσεις. Το πρώτο πρόβλημα εξετάζει την διαδρόμηση δεδομένων με πρωτόκολλα χαμηλής ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας υπό το πρίσμα των Ασύρματων Δικτύων Αισθητήρων. Ωστόσο, πρέπει να σημειωθεί ότι το πρόβλημα ανάγεται ευρύτερα σε ετερογενή ασύρματα δίκτυα. Το δεύτερο πρόβλημα εξετάζει την διαχείριση ενέργειας σε Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων στα οποία μία ειδική μονάδα κινούμενη μέσα στο δίκτυο επαναφορτίζει τους κόμβους μέσω ασύρματης μετάδοσης ενέργειας. Στην τρίτη ενότητα παρουσιάζονται μια σειρά πρότυπων συστημάτων και εφαρμογών του Μελλοντικού Διαδικτύου, που αναπτύχθηκαν στα πλαίσια της παρούσας διατριβής. Τα συστήματα συνδυάζουν τα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων με την νέας γενιάς στοίβα πρωτοκόλλων επικοινωνίας IPv6 καθιστώντας δυνατή την απρόσκοπτη και διαφανή επικοινωνία των κόμβων του δικτύου με το Διαδίκτυο και τον έξω κόσμο. Οι εφαρμογές των συστημάτων περιλαμβάνουν την ανάπτυξη ενός έξυπνου/πράσινου δωματίου και αντίστοιχων σεναρίων χρήσης του με δυνατότητες απομακρυσμένου ελέγχου μέσω Διαδικτύου (προσωποποίηση της συμπεριφοράς του δωματίου στον χρήστη, αλληλεπίδραση του δωματίου στην φυσική παρουσία, ασφαλής εκκένωση κτηρίου σε συνθήκες κινδύνου, κ.α.), την ανάπτυξη πρότυπου συστήματος έξυπνης άρδευσης, τον εντοπισμό θέσης με υψηλή ακρίβεια σε εσωτερικό χώρο, καθώς και την επεξεργασία κοινωνικής σηματοδότησης κατά την διάρκεια ανθρώπινων αλληλεπιδράσεων. Με την παρούσα διδακτορική διατριβή κλείνει ένας κύκλος έρευνας που διήρκεσε κάτι λιγότερο από πέντε χρόνια. Ωστόσο, αρκετά θέματα θα αποτελέσουν και στο μέλλον πεδίο έντονης ερευνητικής δραστηριότητας. Η εκπεμπόμενη ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία κατά την διάρκεια ασύρματων μεταδόσεων δεδομένων είναι ένα αμφιλεγόμενο ζήτημα από την πλευρά της ασφάλειας της δημόσιας υγείας. Πιστεύουμε όμως ότι αξίζει να μελετηθεί και από τον κλάδο της Επιστήμης των Υπολογιστών καθώς το πλήθος των ασύρματων δικτύων και η πυκνότητα της περιρρέουσας ακτινοβολίας στην καθημερινή μας ζωή ολοένα και αυξάνεται. Ένα δεύτερο πεδίο έρευνας αναδύεται από την πραγμάτωση του Διαδικτύου των Αντικειμένων και τις δυνατότητες που αυτό παρέχει στα πλαίσια του Μελλοντικού Διαδικτύου. Ενδεικτικά αναφέρεται η ανάδειξη νέων μοντέλων δικτύων στα πρότυπα των κοινωνικών δικτύων, τα οποία θα περιλαμβάνουν αλληλεπιδράσεις ανάμεσα σε ανθρώπους και σε αντικείμενα. Καλή Ανάγνωση. / The Internet is undoubtedly the biggest breakthrough in dissemination of information since the era of Gutenberg and the printing press that has radically changed the way of communication and interaction among people. At the core of the Internet lie technologies which are developed to achieve communication between heterogeneous systems and networks. In this way, while the Internet initially consisted exclusively of computer networks, it then incorporated other types of networks as well, such as land line telephone networks, cellular networks, satellite networks, social networks and so on. Nowadays, the Internet is a meta-network of networks which continues to expand and relevant enabling technologies continue to evolve. In the foreseeable future, the Internet will also include embedded control systems, thus realizing the vision of the Internet of Things. The main enabling technology of the Internet of Things vision is Wireless Sensor Networks (WSNs). Wireless Sensor Networks are a special class of distributed and self-organized networks which promise to bridge the gap between the physical and digital world. A WSN consists of small autonomous devices with minimal computational capabilities that are equipped with digital sensors. These devices collect data from their immediate environment and working collaboratively with each other, propagate them via multi-hop transmissions. In this way, although each node of the network is characterized by significant limitations (in terms of computational power, energy reserves, wireless communication capabilities, etc.) the formed networks are able to carry out difficult computational problems and thus to generate and route large amounts of information. The dissertation that you hold in your hands is the product of original and novel research on several aspects of efficient data collection from Wireless Sensor Networks. Corresponding research findings have been published in prestigious scientific journals and competitive, peer-reviewed international conferences. The dissertation is organized into three parts. In the first part mobility aspects of Wireless Sensor Networks are studied. More specifically, a family of heuristic algorithms is proposed for fast and efficient data collection in networks that are characterized by diverse and dynamic node mobility. Moreover, random walks are studied as simple, efficient mobility strategies for data collection in sensor networks in which sensor motes are stationary. Sensor networks are modeled either as Grids or as Random Geometric Graphs. In the second part two recently acquired problems in Wireless Sensor Networks (associated with recent technological advances) are studied. The first problem examines data routing protocols that yield low electromagnetic radiation in the context of Wireless Sensor Networks. The second problem examines energy management in Wireless Sensor Networks in which a special unit (namely the Charger) traverses the network area and is able to recharge sensor motes via wireless energy transfer. In the third part a series of prototype systems and applications for the Future Internet that have been developed in the context of this dissertation are presented. These systems combine Wireless Sensor Networks with the new generation, IPv6 Internet protocol stack, thus allowing seamless and transparent communication between sensor motes and the rest of the Internet world. These systems include the development of a smart / green room and corresponding use-case scenarios (room adaptation to human presence, safe evacuation in emergency conditions, etc.), the development of a prototype smart irrigation system, fine grained in-door localization, and social signal processing. This dissertation concludes a research cycle, which lasted a little less than five years. However, there is more than enough space for future research. The emitted electromagnetic radiation during wireless data transmissions is a controversial issue in terms of public health. However, we believe that it worth’s to be studied from an ICT point of view as the number of wireless networks in our everyday life keeps growing. A second area of research emerges from the realization of the Internet of Things vision and the opportunities it provides as part of the Future Internet; for instance the emergence of a new social network paradigm, that will capture interactions between humans and objects.