In recent years, wireless sensor networks (WSNs) have grown rapidly and have had a substantial impact in many applications. A WSN is a network that consists of interconnected autonomous nodes that monitor physical and environmental conditions, such as temperature, humidity, pollution, etc. If required, nodes in a WSN can perform actions to affect the environment. WSNs present an interesting and challenging field of research due to the distributed nature of the network and the limited resources of the nodes. It is necessary for a node in a WSN to be small to enable easy deployment in an environment and consume as little energy as possible to prolong its battery lifetime. There are many challenges in WSNs, such as programming a large number of nodes, designing communication protocols, achieving energy efficiency, respecting limited bandwidth, and operating with limited memory. WSNs are further constrained due to the deployment of the nodes in indoor and outdoor environments and obstacles in the environment. In this dissertation, we study some of the fundamental optimisation problems related to the programming, coverage, mobility, data collection, and data loss of WSNs, modelled as standalone optimisation problems or as optimisation problems integrated with protocol design. Our proposed solution methods come from various fields of research including constraint programming, integer linear programming, heuristic-based algorithms, and data inference techniques. / ProFuN

Wireless Sensor Networks (WSN) are distributed sensing network systems composed of tiny networked devices. These systems are employed to develop applications for sensing and acting on the environment. Each network device, or node, is equipped with sensors and sometimes actuators as well. WSNs typically have limited power, processing, and storage capability, and are also subject to faults, especially when deployed in harsh environments. Given WSNs limitations, application developers often design fault-tolerance mechanisms. Although developers implement some fault-tolerance mechanisms in hardware, most are implemented in software. Indeed, WSN application development mostly occurs at a low level, close to the operating system, which forces developers to focus away from application logic and dive into WSNs technical background. Some have proposed high-level programming solutions, such as macroprogramming languages and frameworks; however, few deal with fault-tolerance. This dissertation aims to incorporate fault-tolerance features into Srijan, an open-source WSN macroprogramming framework based on a mixed declarative-imperative language called Abstract Task Graph (ATaG). We augment Srijans framework to support code generation for dealing with devices that crash or report meaningless values. We present our feature implementation here, along with an evaluation of the tool, demonstrating that it is possible to provide a macroprogramming framework with appropriate support for developing fault-tolerant WSN applications. / Redes de Sensores Sem Fio (RSSF) são sistemas distribuídos em rede para sensoreamento, compostos de pequenos dispositivos conectados entre si. Esses sistemas são utilizados para construir aplicações que medem e atuam no meio físico. Cada dispositivo da rede, chamado de nó, é equipado com sensores, e algumas vezes, atuadores. Os nós também comumente possuem limitações em termos de suprimento de energia e capacidade de armazenamento e processamento. Em adição à essas limitações, redes de sensores sem fio também estão sujeitas à diversos tipos de falhas, especialmente quando são implantadas em ambientes de condições naturais extremas, como florestas e plantações. Por essas razões, desenvolvedores de aplicações para redes de sensores sem fio necessitam utilizar mecanismos de tolerância a falhas. Alguns dos mecanismos de tolerância a falhas são implementados em hardware, porém são mais comumente deixados para implementação em software. Além disso, a maior parte do desenvolvimento de aplicações para RSSF é feita em baixo nível de abstração, perto do sistema operacional. Desse modo, além de terem que concentrar-se na lógica da aplicação em baixo nível, os desenvolvedores ainda têm que implementar os mecanismos de tolerância a falhas junto à aplicação, pela falta de bibliotecas ou componentes genéricos para esse fim. Técnicas de programação em alto nível para RSSF já foram propostas na forma de linguagens e arcabouços de macroprogramação. No entanto, uma minoria lida com aspectos de tolerância a falhas. O objetivo desse trabalho é incorporar funcionalidades para tolerância a falhas ao Srijan, um arcabouço de macroprogramação para redes de sensores sem fio. Srijan possui código aberto e é baseado em uma linguagem mista declarativa-imperativa chamada Abstract Task Graph (ATaG). Evoluímos o arcabouço para dar suporte à geração automática de código lidando com quedas de nós da rede e falhas que resultam em dados incorretos de sensores. Nesta dissertação, apresentamos a nossa implementação de tais funcionalidades, juntamente com a avaliação conduzida sobre a ferramenta. Mostramos que é possível prover um arcabouço de macroprogramação com suporte apropriado ao desenvolvimento de aplicações para RSSF que necessitam tolerância a falhas.

Wireless Sensor Networks (WSN) are distributed sensing network systems composed of tiny networked devices. These systems are employed to develop applications for sensing and acting on the environment. Each network device, or node, is equipped with sensors and sometimes actuators as well. WSNs typically have limited power, processing, and storage capability, and are also subject to faults, especially when deployed in harsh environments. Given WSNs limitations, application developers often design fault-tolerance mechanisms. Although developers implement some fault-tolerance mechanisms in hardware, most are implemented in software. Indeed, WSN application development mostly occurs at a low level, close to the operating system, which forces developers to focus away from application logic and dive into WSNs technical background. Some have proposed high-level programming solutions, such as macroprogramming languages and frameworks; however, few deal with fault-tolerance. This dissertation aims to incorporate fault-tolerance features into Srijan, an open-source WSN macroprogramming framework based on a mixed declarative-imperative language called Abstract Task Graph (ATaG). We augment Srijans framework to support code generation for dealing with devices that crash or report meaningless values. We present our feature implementation here, along with an evaluation of the tool, demonstrating that it is possible to provide a macroprogramming framework with appropriate support for developing fault-tolerant WSN applications. / Redes de Sensores Sem Fio (RSSF) são sistemas distribuídos em rede para sensoreamento, compostos de pequenos dispositivos conectados entre si. Esses sistemas são utilizados para construir aplicações que medem e atuam no meio físico. Cada dispositivo da rede, chamado de nó, é equipado com sensores, e algumas vezes, atuadores. Os nós também comumente possuem limitações em termos de suprimento de energia e capacidade de armazenamento e processamento. Em adição à essas limitações, redes de sensores sem fio também estão sujeitas à diversos tipos de falhas, especialmente quando são implantadas em ambientes de condições naturais extremas, como florestas e plantações. Por essas razões, desenvolvedores de aplicações para redes de sensores sem fio necessitam utilizar mecanismos de tolerância a falhas. Alguns dos mecanismos de tolerância a falhas são implementados em hardware, porém são mais comumente deixados para implementação em software. Além disso, a maior parte do desenvolvimento de aplicações para RSSF é feita em baixo nível de abstração, perto do sistema operacional. Desse modo, além de terem que concentrar-se na lógica da aplicação em baixo nível, os desenvolvedores ainda têm que implementar os mecanismos de tolerância a falhas junto à aplicação, pela falta de bibliotecas ou componentes genéricos para esse fim. Técnicas de programação em alto nível para RSSF já foram propostas na forma de linguagens e arcabouços de macroprogramação. No entanto, uma minoria lida com aspectos de tolerância a falhas. O objetivo desse trabalho é incorporar funcionalidades para tolerância a falhas ao Srijan, um arcabouço de macroprogramação para redes de sensores sem fio. Srijan possui código aberto e é baseado em uma linguagem mista declarativa-imperativa chamada Abstract Task Graph (ATaG). Evoluímos o arcabouço para dar suporte à geração automática de código lidando com quedas de nós da rede e falhas que resultam em dados incorretos de sensores. Nesta dissertação, apresentamos a nossa implementação de tais funcionalidades, juntamente com a avaliação conduzida sobre a ferramenta. Mostramos que é possível prover um arcabouço de macroprogramação com suporte apropriado ao desenvolvimento de aplicações para RSSF que necessitam tolerância a falhas.