Esta dissertação tem por objetivo propor algoritmos para conservação de energia de uma rede de sensores sem fio (RSSF) aplicada ao monitoramento de um processo suave f(x , y, t), que depende das coordenadas x e y dos nós sensores, e do tempo t, de forma a aumentar a autonomia da rede. Os algoritmos rodam na camada de aplicação de cada nó, e visam a economia de energia dos nós através do gerenciamento da necessidade de transmissões. Após a primeira amostra transmitida, apenas amostras com uma variação percentual maior do que um dado limiar são transmitidas. Além disso, cada nó pode permanecer inativo (economizando energia) entre essas transmissões. Em RSSfs de salto único, são propostos dois algoritmos: um baseado na fonte, onde cada nó é responsável por todo o processamento e tomada de decisões, e outro baseado no sorvedouro, onde todo o processamento e a tomada de decisões são realizadas pelo sorvedouro. Além disso, uma extensão de algoritmo baseado na fonte é proposta, para RSSFs de múltiplos saltos. Através dos resultados obtidos, observa-se que os algoritmos conseguiram uma redução significativa da quantidade de transmissões, o que leva a um aumento do tempo de vida e o erro na reconstrução do processo é apresentada. Desta forma, pode-se conjugar a relação entre tempo de vida máximo e erro de reconstrução mínimo. / This paper aims to propose algorithms for energy conservation in a wireless sensor network (WSN) applied to monitoring a smooth process f (x, y, t), which depends on x and y coordinates of the sensor nodes, and the time t so as to increase the autonomy of the network. The algorithms run in the application layer of each node, and are designed to save energy of the nodes through the management of the need for transmissions. Furthermore, each node can remain idle (saving energy) between these transmissions. In single hop WSNs, we propose two algorithms: one based on the source, where each node is responsible for all processing and decision making, and another based on the sink, where all processing and decision making are performed by the sink. In addition, an algorithm based on the extent of power is proposed for multi-hop WSNs. From the results obtained, it is observed that the algorithms have achieved a significant reduction of the number of transmissions, which leads to an increase in the life time and the error in the reconstruction process is presented. In this way, one can combine the relationship between maximum life span and minimum reconstruction error.

Neste trabalho é apresentado o desenvolvimento de um sistema de posicionamento dinâmico para uma pequena embarcação baseado em controle a estrutura variável com realimentação por visão computacional. Foram investigadas, na literatura, diversas técnicas desenvolvidas e escolheu-se o controle a estrutura variável devido, principalmente, ao modo de acionamento dos propulsores presentes no barco utilizado para os experimentos. Somando-se a isto, foi considerada importante a robustez que a técnica de controle escolhida apresenta, pois o modelo utilizado conta com incerteza em sua dinâmica. É apresentado ainda o projeto da superfície de deslizamento para realizar o controle a estrutura variável. Como instrumento de medição optou-se por utilizar técnicas de visão computacional em imagens capturadas a partir de uma webcam. A escolha por este tipo de sistema deve-se a alta precisão das medições aliada ao seu baixo custo. São apresentadas simulações e experimentos com controle a estrutura variável em tempo discreto utilizando a integral do erro da posição visando eliminar o erro em regime. Para realizar o controle que demanda o estado completo, são comparados quatro estimadores de estado realizados em tempo discreto: derivador aproximado; observador assintótico com uma frequência de amostragem igual a da câmera; observador assintótico com uma frequência de amostragem maior que a da câmera; e filtro de Kalman. / The design of a dynamic positioning system for a small boat based on variable strutucture control and visual-servoing is presented. Many control tecniques have been investigated and the variable structure control was chosen, mainly, due the operation mode of the motor drivers installed on the boat applied in the experiments. The robustness of this control technique was also considered since the available dynamic model of the boat is uncertain. The design of the sliding surface is shown as well. Computer vision techniques were used to measure the position of the boat from images taken with a webcam, this kind of measure system was chosen due to its high accuracy and low cost. Simulation and experimental results of discrete time variable structure control with integral action of the boats postion, included in order to eliminate steady state error, are shown. To develop this controller four state estimators, in discrete time, are compared: derivative of position; asymptotic observer at a high sampling rate; asymptotic observer at webcams sampling rate; and Kalman filter.

Este trabalho apresenta o estudo comparativo do desempenho de três topologias de conversores do sistema monofásico para o sistema trifásico com número reduzido de componentes, para o acionamento de um motor de indução do tipo rotor gaiola de esquilo. O funcionamento de cada topologia é descrito e simulado digitalmente. O desempenho desses conversores é avaliado em diferentes modos de operação, com sequência de fase positiva ou negativa, com ênfase na qualidade de energia em termos de redução da distorção harmônica total e da melhoria do fator de potência na fonte. Com vistas à redução de custos, foi desenvolvido um protótipo experimental baseado no uso de módulo integrado de chaves semicondutoras de potência e de um microcontrolador de baixo custo. Os resultados experimentais se equiparam aos resultados obtidos por simulação. / This work presents the comparative performance of three topologies of single-phase to three-phase converters with reduced number of components while driving an induction motor of type squirrel-cage. The operation of each topology is described by means of simulation results. The performance of these converters is evaluated in different modes of operation, according to the positive or negative sequence, with an emphasis on power quality in terms of reduced total harmonic distortion and improved power factor at the input source. With a viewpoint for achieving reduced costs, an experimental prototype has been developed, based on the use of integrated module of power semiconductor switches and a cheap microcontroller. Experimental results comparable to those obtained by simulations are obtained.

A avaliação objetiva da qualidade de imagens é de especial importância em diversas aplicações, por exemplo na compressão de imagens, onde pode ser utilizada para regular a taxa que deve ser empregada para que haja a máxima compressão (permitindo perda de dados) sem comprometer a qualidade final; outro exemplo é na inserção de marcas dágua, isto é, introdução de informações descritivas utilizadas para atestar a autenticidade de uma imagem, que devem ser invisíveis para o observador. O SSIM (Structural SIMilarity) é uma métrica de avaliação objetiva da qualidade de imagens de referência completa projetada para imagens em tons de cinza. Esta dissertação investiga sua aplicação na avaliação de imagens coloridas. Para tanto, inicialmente é feito um estudo do SSIM utilizando quatro diferentes espaços de cores RGB, YCbCr, Lαβ e CIELAB. O SSIM é primeiramente calculado nos canais individuais desses espaços de cores. Em seguida, com inspiração no trabalho desenvolvido em (1) são testadas formas de se combinar os valores SSIM obtidos para cada canal em um valor único os chamados SSIM Compostos. Finalmente, a fim de buscar melhores correlações entre SSIM e avaliação subjetiva, propomos a utilização da mínima diferença de cor perceptível, calculada utilizando o espaço de cores CIELAB, conjuntamente com o SSIM. Para os testes são utilizados três bancos de dados de imagens coloridas, LIVE, IVC e TID, a fim de se conferir consistência aos resultados. A avaliação dos resultados é feita utilizando as métricas empregadas pelo VQEG (Video Quality Experts Group) para a avaliação da qualidade de vídeos, com uma adaptação. As conclusões do trabalho sugerem que os melhores resultados para avaliação da qualidade de imagens coloridas usando o SSIM são obtidas usando os canais de luminância dos espaços de cores YCbCr, Lαβ e especialmente o CIELAB. Também se concluiu que a utilização da mínima diferença de cor perceptível contribui para o melhoramento dos resultados da avaliação objetiva. / Objective image quality evaluation is of special interest in many image applications, for example for image compression, where it can be used to control the rate in order to keep a tradeoff between lost of data and image quality; another example is in the application of watermarks, i.e., introduction of descriptive information used to guarantee the authenticity of an image, that must be invisible to the observer who looks at the image. SSIM (Structural SIMilarity) index is a full-reference image quality assessment metric developed to evaluate gray images. This work investigates the application of SSIM in the evaluation of color images. Therefore, four different color spaces are tested RGB, YCbCr, Lαβ e CIELAB. Initially SSIM is calculated individually for each one of color spaces channels. Then, inspired in (1), the results of the SSIM in the individual channels are combined in a unique result the so called Composite SSIM. Finally, in order to improve the correlations between, calculated using CIELAB color space, together with SSIM. Three color image databases, LIVE, IVC and TID, were employed in the tests in order to confer solidity to the results. The evaluation of the results is made using VQEG (Video Quality Experts Group) methodology, developed for video quality evaluation with an adaptation regarding the time dimension that does not exist in the image domain. The conclusions from the work were that SSIM performs better in the evaluation of color images when applied to luminance channel of YCbCr, Lαβ and especially to CIELAB color spaces. It was also concluded that the use of just noticeable difference concept improve objective assessment results.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Este trabalho propõe uma nova métrica denominada AP (Alternative Path), a ser utilizada para o cálculo de rotas em protocolos de roteamento em redes em malha sem fio. Esta métrica leva em consideração a interferência causada por nós vizinhos na escolha de uma rota para um destino. O desempenho da métrica AP é avaliado e comparado com o da métrica ETX (Expected Transmission Count) e com o da métrica número de saltos (Hop Count). As simulações realizadas mostram que a métrica AP pode propiciar desempenho superior à rede quando comparada com as outras duas métricas. A métrica AP apresenta melhor desempenho em cenários com maior diversidade de caminhos alternativos. / This work proposes a new metric, AP (Alternative Path), to be used in the calculation of routes in wireless mesh network routing protocols. This new metric takes into account the interference caused by neighbor nodes when choosing a route for a destination. The performance of the AP metric is evaluated and compared to the ETX (Expected Transmission Count) and Hop count metrics. Simulations show that AP can provide superior performance to the network when compared with the other two metrics. The AP metric shows a better performance in networks with a wider variety of alternative paths.

Amostras de DNA são encontradas em fragmentos, obtidos em vestígios de uma cena de crime, ou coletados de amostras de cabelo ou sangue, para testes genéticos ou de paternidade. Para identificar se esse fragmento pertence ou não a uma sequência de DNA, é necessário compará-los com uma sequência determinada, que pode estar armazenada em um banco de dados para, por exemplo, apontar um suspeito. Para tal, é preciso uma ferramenta eficiente para realizar o alinhamento da sequência de DNA encontrada com a armazenada no banco de dados. O alinhamento de sequências de DNA, em inglês DNA matching, é o campo da bioinformática que tenta entender a relação entre as sequências genéticas e suas relações funcionais e parentais. Essa tarefa é frequentemente realizada através de softwares que varrem clusters de base de dados, demandando alto poder computacional, o que encarece o custo de um projeto de alinhamento de sequências de DNA. Esta dissertação apresenta uma arquitetura de hardware paralela, para o algoritmo BLAST, que permite o alinhamento de um par de sequências de DNA. O algoritmo BLAST é um método heurístico e atualmente é o mais rápido. A estratégia do BLAST é dividir as sequências originais em subsequências menores de tamanho w. Após realizar as comparações nessas pequenas subsequências, as etapas do BLAST analisam apenas as subsequências que forem idênticas. Com isso, o algoritmo diminui o número de testes e combinações necessárias para realizar o alinhamento. Para cada sequência idêntica há três etapas, a serem realizadas pelo algoritmo: semeadura, extensão e avaliação. A solução proposta se inspira nas características do algoritmo para implementar um hardware totalmente paralelo e com pipeline entre as etapas básicas do BLAST. A arquitetura de hardware proposta foi implementada em FPGA e os resultados obtidos mostram a comparação entre área ocupada, número de ciclos e máxima frequência de operação permitida, em função dos parâmetros de alinhamento. O resultado é uma arquitetura de hardware em lógica reconfigurável, escalável, eficiente e de baixo custo, capaz de alinhar pares de sequências utilizando o algoritmo BLAST. / DNA samples are found in fragments, obtained in traces of a crime scene, collected from hair or blood samples, for genetic or paternity tests. To identify whether this fragment belongs or not to a given DNA sequence it is necessary to compare it with a determined sequence which usually come from a database, for instance, to point a suspect. To this end, we need an efficient tool to perform the alignment of the DNA sequence found with the ones stored in the database. The alignment of DNA sequences, which is a field of bioinformatics that helps to understand the relationship between genetic sequences and their functional relationships and parenting. This task is often performed by software that scan clusters of databases, which requires high computing effort, thus increasing the cost of DNA sequences alignment projects. This work presents a parallel hardware architecture, for BLAST algorithm, to DNA pairwise alignment. This is the original version of the BLAST algorithm, that resulted in several other versions. The BLAST algorithm is a heuristic method and is the fastest algorithm for sequence alignment. The strategy of BLAST is to divide the sequences into smaller subsequences of size w. After making comparisons in these subsequences, algorithm steps analyzes only the subsequences that are identical. Thus, reducing the number of tests and combinations needed to perform the alignment. For each identical sequence found, three steps are followed by the algorithm: seeding, extension and evaluation. The proposed hardware architecture is based on the characteristics of the algorithm to implement a fully parallel hardware, where the basic steps of BLAST are pipelined. The proposed architecture was implemented in FPGA and the results show a comparison between the area occupied, number of cycles and maximum frequency of operation permitted, as a function of alignment parameters. The result is a hardware architecture in reconfigurable logic, scalable, efficient and with low cost, capable of aligning the pairs of sequences using BLAST algorithm.

Multi-Processor System-on-Chip (MPSoC) possui vários processadores, em um único chip. Várias aplicações podem ser executadas de maneira paralela ou uma aplicação paralelizável pode ser particionada e alocada em cada processador, a fim de acelerar a sua execução. Um problema em MPSoCs é a comunicação entre os processadores, necessária para a execução destas aplicações. Neste trabalho, propomos uma arquitetura de rede de interconexão baseada na topologia crossbar, com memória compartilhada. Esta arquitetura é parametrizável, possuindo N processadores e N módulos de memórias. A troca de informação entre os processadores é feita via memória compartilhada. Neste tipo de implementação cada processador executa a sua aplicação em seu próprio módulo de memória. Através da rede, todos os processadores têm completo acesso a seus módulos de memória simultaneamente, permitindo que cada aplicação seja executada concorrentemente. Além disso, um processador pode acessar outros módulos de memória, sempre que necessite obter dados gerados por outro processador. A arquitetura proposta é modelada em VHDL e seu desempenho é analisado através da execução paralela de uma aplicação, em comparação à sua respectiva execução sequencial. A aplicação escolhida consiste na otimização de funções objetivo através do método de Otimização por Enxame de Partículas (Particle Swarm Optimization - PSO). Neste método, um enxame de partículas é distribuído igualmente entre os processadores da rede e, ao final de cada interação, um processador acessa o módulo de memória de outro processador, a fim de obter a melhor posição encontrada pelo enxame alocado neste. A comunicação entre processadores é baseada em três estratégias: anel, vizinhança e broadcast. Essa aplicação foi escolhida por ser computacionalmente intensiva e, dessa forma, uma forte candidata a paralelização. / Multi-Processor System-on-Chip (MPSoC) has multiple processors in a single chip. Multiple applications can be executed in parallel or a parallelizable application can be partitioned and allocated to each processor in order to accelerate their execution. One problem in MPSoCs is the communication between the processors required to implement these applications. In this work, we propose the architecture of an interconnection network based on the crossbar topology, with shared memory. This architecture is parameterizable, having N processors and N memory modules. The exchange of information between processors is done via shared memory. In this type of implementation each processor executes its application stored in its own memory module. Through the network, all processors have complete access to their own memory modules simultaneously allowing each application to run concurrently. Moreover, a processor can access other memory modules, whenever it needs to retrieve data generated by another processor. The proposed architecture is modelled in VHDL and its performance is analysed by the execution of a parallel aplication, in comparison to its sequencial one. The chosen application consists of optimizing some objetive functions by using the Particle Swarm Optimization method. In this method, particles of a swarm are distributed among the processors and, at the end of each iteration, a processor accesses the memory module of another one in order to obtain the best position found in the swarm. The communication between processors is based on three strategies: ring, neighbourhood and broadcast. This application was chosen due to its computational intensive characteristic and, therefore, a strong candidate for parallelization.

A tecnologia sem fio (wireless) vem tomando conta do mundo. A cada dia mais pessoas estão trocando seus equipamentos com fio por equipamentos com a tecnologia wireless. Isso vem crescendo, devido as suas vantagens, tais como: facilidade de instalação e manutenção, redução de tempo de instalação de dispositivos, inexistência de estrutura de cabeamento, economia no custo de projetos, economia em infraestrutura, flexibilidade de configuração de dispositivos, economia no custo de montagem, flexibilidade na alteração de arquiteturas existentes e outros. Por essas facilidades supracitadas a área de automação industrial está também aumentando o seu interesse nessa tecnologia wireless. Nessa área, a segurança, confiabilidade e robustez dos dados são de suma importância. Então, para minimizar os efeitos das interferências geradas nesse meio são usadas técnicas de espalhamento em frequência e topologia em malha ou árvore para transmissão dos dados enviados pelos sensores aos nós roteadores até chegar ao gateway. Sendo assim, o posicionamento dos nós roteadores na rede em malha garantirá a menor influência dessas interferências. Esse trabalho propõe uma ferramenta de posicionamento de nós roteadores intermediários, chamado POSIMNET (Positioning Immune Network Rede Imunológica de Posicionamento), que auxilia o projetista da rede de automação industrial a encontrar a melhor configuração da rede sem fio. O POSIMNET é baseado nas redes imunológicas artificiais, que propõe criar n caminhos quaisquer ou disjuntos para as informações enviadas pelos nós sensores chegarem ao gateway, através da supressão, clonagem e reconfiguração de nós roteadores intermediários. Além disso, o algoritmo também é capaz de atender os critérios de baixo grau de falha e baixo número de retransmissão pelos roteadores. Esses critérios podem ser habilitados individualmente ou combinados com pesos iguais ou diferentes para cada um, a critério do usuário. A ferramenta POSIMNET é formada por dois módulos: (i) Rede Imunológica agrega elementos de dois modelos de redes imunológicas (SSAIS e AiNet); (ii) Campos Potenciais - posiciona os nós roteadores pelos campos potenciais, onde os sensores críticos os atraem enquanto que os obstáculos e outros roteadores os repelem.

Técnicas não-intrusivas de medição de vazão constituem uma necessidade crescente em diversas aplicações. Atualmente, diversos estudos têm sido realizados com o objetivo de desenvolver técnicas de medição não-intrusivas que possam suprir as deficiências das técnicas existentes. Este trabalho visa desenvolver um medidor de vazão baseado no princípio de convecção forçada (termal) não-intrusivo inteligente. O medidor utiliza dois transdutores RTD comerciais do tipo PT100, um aquecido, que é responsável pela medição da velocidade de escoamento, e o outro utilizado como referência de set-point de temperatura do sensor aquecido. Uma Rede Neural é responsável por corrigir os erros de medição do instrumento. Para a avaliação do medidor construído, foi desenvolvida uma bancada de realização de ensaios, possibilitando a variação da vazão e temperatura na seção de teste. Com o intuito de prover a bancada de uma referência para comparação, foi instalado também um medidor do tipo Venturi normalizado segundo a ABNT. / Non-intrusive techniques of flow measurement are very useful in several applications. Nowadays, several studies have been conducted to develop non-intrusive measuring techniques that can overcome the shortcomings of the existing ones. This work aims to design an intelligent non-intrusive flow meter device based on the forced heat convection principle (thermal). This device uses two commercial RTD transducers (PT100), one is used as reference of temperature set-point, and the other is responsible for the flow measurement. A neural network is responsible for correcting the errors in relation to the calibration standard. To evaluate the intelligent flow meter, test bench was built. In order to provide another flow meter to compare the results, an ABNT Venturi type flow meter was installed in the test bench.

A Otimização por Enxame de Partículas (PSO, Particle Swarm Optimization) é uma técnica de otimização que vem sendo utilizada na solução de diversos problemas, em diferentes áreas do conhecimento. Porém, a maioria das implementações é realizada de modo sequencial. O processo de otimização necessita de um grande número de avaliações da função objetivo, principalmente em problemas complexos que envolvam uma grande quantidade de partículas e dimensões. Consequentemente, o algoritmo pode se tornar ineficiente em termos do desempenho obtido, tempo de resposta e até na qualidade do resultado esperado. Para superar tais dificuldades, pode-se utilizar a computação de alto desempenho e paralelizar o algoritmo, de acordo com as características da arquitetura, visando o aumento de desempenho, a minimização do tempo de resposta e melhoria da qualidade do resultado final. Nesta dissertação, o algoritmo PSO é paralelizado utilizando três estratégias que abordarão diferentes granularidades do problema, assim como dividir o trabalho de otimização entre vários subenxames cooperativos. Um dos algoritmos paralelos desenvolvidos, chamado PPSO, é implementado diretamente em hardware, utilizando uma FPGA. Todas as estratégias propostas, PPSO (Parallel PSO), PDPSO (Parallel Dimension PSO) e CPPSO (Cooperative Parallel PSO), são implementadas visando às arquiteturas paralelas baseadas em multiprocessadores, multicomputadores e GPU. Os diferentes testes realizados mostram que, nos problemas com um maior número de partículas e dimensões e utilizando uma estratégia com granularidade mais fina (PDPSO e CPPSO), a GPU obteve os melhores resultados. Enquanto, utilizando uma estratégia com uma granularidade mais grossa (PPSO), a implementação em multicomputador obteve os melhores resultados. / Particle Swarm Optimization (PSO) is an optimization technique that is used to solve many problems in different applications. However, most implementations are sequential. The optimization process requires a large number of evaluations of the objective function, especially in complex problems, involving a large amount of particles and dimensions. As a result, the algorithm may become inefficient in terms of performance, execution time and even the quality of the expected result. To overcome these difficulties,high performance computing and parallel algorithms can be used, taking into account to the characteristics of the architecture. This should increase performance, minimize response time and may even improve the quality of the final result. In this dissertation, the PSO algorithm is parallelized using three different strategies that consider different granularities of the problem, and the division of the optimization work among several cooperative sub-swarms. One of the developed parallel algorithms, namely PPSO, is implemented directly in hardware, using an FPGA. All the proposed strategies, namely PPSO ( Parallel PSO), PDPSO (Parallel Dimension PSO) and CPPSO (Cooperative Parallel PSO), are implemented in a multiprocessor, multicomputer and GPU based parallel architectures. The different performed assessments show that the GPU achieved the best results for problems with high number of particles and dimensions when a strategy with finer granularity is used, namely PDPSO and CPPSO. In contrast with this, when using a strategy with a coarser granularity, namely PPSO, the multi-computer based implementation achieved the best results.