The latest developments of mobile devices include a variety of hardware features that allow for more rich data collection and services. Numerous sensors, Internet connectivity, low energy Bluetooth connectivity to other devices (e.g., smart watches, activity tracker, health data monitoring devices) are just some examples of hardware that helps to provide additional information that can be beneficially used for many application domains. Among others, they could be utilized in mobile learning scenarios (for data collection in science education, field trips), in mobile health scenarios (for health data collection and monitoring the health state of patients, changes in health conditions and/or detection of emergency situations), and in personalized recommender systems. This information captures the current context situation of the user that could help to make mobile applications more personalized and deliver a better user experience. Moreover, the context related information collected by the mobile device and the different applications can be enriched by using additional external information sources (e.g., Web Service APIs), which help to describe the user’s context situation in more details. The main challenge in context modeling is the lack of generalization at the core of the model, as most of the existing context models depend on particular application domains or scenarios. We tackle this challenge by conceptualizing and designing a rich generic context model. In this thesis, we present the state of the art of recent approaches used for context modeling and introduce a rich context model as an approach for modeling context in a domain-independent way. Additionally, we investigate whether context information can enhance existing mobile applications by making them sensible to the user’s current situation. We demonstrate the reusability and flexibility of the rich context model in a several case studies. The main contributions of this thesis are: (1) an overview of recent, existing research in context modeling for different application domains; (2) a theoretical foundation of the proposed approach for modeling context in a domain-independent way; (3) several case studies in different mobile application domains.

Submitted by Aline Batista (alinehb.ufpel@gmail.com) on 2017-03-23T22:13:11Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Redes de sensores com nodos móveis.pdf: 6727540 bytes, checksum: 3de001c9a299b0722e7e13bd8cafbb33 (MD5) / Approved for entry into archive by Aline Batista (alinehb.ufpel@gmail.com) on 2017-04-05T19:13:02Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Redes de sensores com nodos móveis.pdf: 6727540 bytes, checksum: 3de001c9a299b0722e7e13bd8cafbb33 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2017-04-05T19:13:10Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Redes de sensores com nodos móveis.pdf: 6727540 bytes, checksum: 3de001c9a299b0722e7e13bd8cafbb33 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2016-11-23 / Sem bolsa / A mobilidade de nodos em redes de sensores sem fio tem sido empregada para resolver problemas de comunicação através de nodos coletores de dados ou estações base móveis, ou ainda para melhorar a cobertura empregando nodos sensores móveis, que se movem para sensoriar áreas descobertas. No entanto, um dos principais desafios em redes de sensores sem fio é o consumo de energia, visto que o tempo de vida da rede depende da carga da bateria de seus nodos. Visando aumentar o tempo de vida das redes orientadas a eventos, estratégias dinâmicas de balanceamento de carga exploram a redundância nas áreas de sensoriamento dos nodos e evitam que mais de um nodo processe um mesmo evento. A mobilidade bem como o balanceamento de carga são importantes adaptações dinâmicas que podem ser empregadas para melhorar a eficiência de redes de sensores, mas o emprego integrado destas duas adaptações precisa ser investigado. Este trabalho avalia os efeitos da mobilidade de nodos sensores tanto na cobertura da rede quanto na eficiência das técnicas de balanceamento de carga empregadas em redes de sensores orientadas a eventos. No contexto deste trabalho, uma estratégia é implementada, a qual move nodos baseada na ação de forças de repulsão, visando espalhar nodos sobre a área de interesse e melhorar a cobertura da rede. O seu impacto na cobertura foi avaliado em diferentes cenários de implantação e em redes com diferentes densidades. Primeiramente, quando nodos são implantados de forma aleatória, e então, a mobilidade permite redistribuí-los e maximizar a cobertura da rede. Em um segundo momento, a estratégia é aplicada quando nodos começam a ser desativados pela descarga de suas baterias, onde a mobilidade pode minimizar o efeito da desativação de um nodo da rede. Além disso, experimentos foram realizados de forma a observar o impacto do emprego desta estratégia de mobilidade no desempenho de duas técnicas de balanceamento de carga consideradas estado-da-arte em redes de sensores sem fio orientadas a eventos. Neste trabalho foi considerado o consumo de energia que o nodo gasta com o sensoriamento, mas o consumo energético gasto com o movimento está fora do escopo. / The nodes mobility in wireless sensor networks has been employed to solve communication problems through mobile data mulling or base stations, or yet to improve coverage using mobile sensor nodes, which move to sensing uncovered areas. However, one of the main challenges in wireless sensor networks is the energy consumption, since the network lifetime depends on the node battery charge. In order to increase the lifetime of the event-oriented networks, dynamic load balancing strategies exploit redundancy in the nodes sensing areas and avoid that more than one node process the same event. Mobility as well as the load balancing are important dynamic adaptations that can be employed to improve the ef?ciency of sensor networks, but the integrated use of these two adaptations needs to be investigated. This work evaluates the effects of the sensor nodes mobility both on network coverage and on the ef?ciency of load balancing techniques used in event-oriented sensor networks. In the context of this work, an strategy has implemented, which moves nodes based on the action of repulsion forces, aiming to spread nodes over the area of interest and improve network coverage. Its impact on coverage has assessed in different deployment scenarios and networks with different densities. First, when nodes are deployed at random, then mobility allows them to redistribute and maximize the network coverage. In a second moment, the strategy is applied when nodes begin to be deactivated by the discharge of their batteries, where the mobility can minimize the effect of the deactivation of a node of the network. In addition, experiments have carried out in order to observe the impact of the use of this mobility strategy on the ef?ciency of two load balancing techniques considered state-of-the-art in event-oriented wireless sensor networks. In this work we considered the energy consumption that the node spends with the sensing, but the energy consumption spent with the movement is out of scope.

Sistemas de vigilância são geralmente empregados no monitoramento de áreas de grandes dimensões nas quais seus usuários visam detectar ou observar fenômenos de seu interesse. O uso de redes de sensores sem fio nesses sistemas apresenta especial interesse, uma vez que essas redes podem apresentar soluções de baixo custo e robustas para cobrir áreas extensas. Neste contexto, novas aplicações têm surgido propondo o uso de redes de sensores sem fio compostas por nós sensores estáticos e móveis. Uma das motivações para esta tendência é a redução do custo de implantação e operação do sistema, além da possibilidade de proporcionar incremento em suas funcionalidades. O foco desta tese se concentra na proposta de soluções para redes de sensores sem fio com uso cooperativo de sensores estáticos e móveis, com particular atenção a sensibilidade ao contexto na configuração e execução de missões de sensoriamento. O objetivo é manter um baixo custo de comunicação associado às soluções propostas. Esta preocupação se dá pelo fato da comunicação aumentar o consumo de energia em redes de sensores, o que é um problema importante para nós sensores com limitada fonte de energia, i.e. baterias. No caso de nós sensores móveis, esta limitação pode não ser relevante, uma vez que seu movimento deve consumir uma quantidade muito mais expressiva de energia do que a comunicação. Neste caso, o problema se relaciona à estabilidade dos enlaces, bem como ao curto intervalo de tempo disponível para transmitir e receber dados. Logo, o melhor é comunicar o menos possível. Com relação à interação entre nós sensores estáticos, os problemas de disseminação e alocação de missões de sensoriamento são estudados e uma solução que explora o uso de informações locais é proposta e avaliada. Esta solução emprega agentes de software móveis que têm a capacidade de tomar decisões autônomas através do uso de informações de contexto local. Para redes de sensores móveis, o problema estudado se refere a como transferir missões entre os nós sensores de acordo com seu movimento e localização em relação aos locais onde as missões devem ser executadas. Para tratar este problema, uma abordagem baseada em agentes móveis é proposta, na qual os agentes implementam a migração das missões de sensoriamento usando informações de contexto geográfico para decidir a respeito de suas migrações. Para redes de sensores com sensores estáticos e móveis, a cooperação entre eles é abordada através de um mecanismo com inspiração biológica para realizar a realizar a entrega de dados emitidos pelos sensores estáticos aos sensores móveis. Para isto, explora-se uma analogia baseada no comportamento de formigas na construção e seguimento de trilhas. As soluções propostas são flexíveis, sendo aplicáveis a diferentes domínios de aplicação. Resultados experimentais evidenciam sua escalabilidade, avaliando, por exemplo, seu custo em termos de comunicação, além de outras métricas de interesse para cada uma das soluções. Estes resultados são comparados aos atingidos por soluções de referência (solução ótima teórica e baseada em inundação), indicando sua eficiência. Estes resultados são próximos do ótimo teórico e significativamente melhores que aqueles atingidos por soluções baseadas em técnicas de inundação. / Surveillance systems are usually employed to monitor wide areas in which their users are interested in detecting and/or observing events or phenomena of their interest. The use of wireless sensor networks in such systems is of particular interest as these networks can provide a relative low cost and robust solution to cover large areas. Emerging applications in this context are proposing the use of wireless sensor networks composed of both static and mobile sensor nodes. Motivation for this trend is to reduce deployment and operating costs, besides providing enhanced functionalities. This work focuses on the proposal of solutions for wireless sensor networks including static and mobile sensor nodes specifically regarding cooperative and context aware mission setup and performance. The goal is to keep the communication costs as low as possible in the execution of the proposed solutions. This concern comes from the fact that communication increases energy consumption, which is a particular issue for energy constrained sensor nodes often used in wireless sensor networks, especially if battery supplied. In the case of the mobile nodes, this energy constraint may not be valid, since their motion might need much more energy, but links instabilities and short time windows available to receive and transmit data. Therefore, it is better to communicate as little as possible. For the interaction among static sensor nodes, the problems of dissemination and allocation of sensing missions are studied and a solution that explores local information is proposed and evaluated. This solution uses mobile software agents that have capabilities to take autonomous decisions about the mission dissemination and allocation using local context information. For mobile wireless sensor networks, the problem studied is how to perform handover of missions among the nodes according to their movements and locations in relation to the place where the missions have to be performed. To handle this problem, a mobile agent approach is proposed in which the agents implement the sensing missions’ migration from node to node using geographical context information to decide about their migrations. For the networks combining static and mobile sensor nodes, the cooperation among them is approached by a biologically-inspired mechanism to deliver data from the static to the mobile nodes. The data delivery mechanism explores an analogy based on the behaviour of ants building and following trails, inspired by the ant colony algorithm. The proposed solutions are flexible, being able to be applied to different application domains. Obtained experimental results provide evidence of the scalability of these proposed solutions, for example by evaluating their cost in terms of communication, among other metrics of interest for each solution. These results are compared to those achieved by reference solutions (theoretical optimum and floodingbased), providing indications of the proposed solutions’ efficiency. These results are considered close to the theoretical optimum one and significantly better than the ones achieved by flooding-based solutions.

Sistemas de vigilância são geralmente empregados no monitoramento de áreas de grandes dimensões nas quais seus usuários visam detectar ou observar fenômenos de seu interesse. O uso de redes de sensores sem fio nesses sistemas apresenta especial interesse, uma vez que essas redes podem apresentar soluções de baixo custo e robustas para cobrir áreas extensas. Neste contexto, novas aplicações têm surgido propondo o uso de redes de sensores sem fio compostas por nós sensores estáticos e móveis. Uma das motivações para esta tendência é a redução do custo de implantação e operação do sistema, além da possibilidade de proporcionar incremento em suas funcionalidades. O foco desta tese se concentra na proposta de soluções para redes de sensores sem fio com uso cooperativo de sensores estáticos e móveis, com particular atenção a sensibilidade ao contexto na configuração e execução de missões de sensoriamento. O objetivo é manter um baixo custo de comunicação associado às soluções propostas. Esta preocupação se dá pelo fato da comunicação aumentar o consumo de energia em redes de sensores, o que é um problema importante para nós sensores com limitada fonte de energia, i.e. baterias. No caso de nós sensores móveis, esta limitação pode não ser relevante, uma vez que seu movimento deve consumir uma quantidade muito mais expressiva de energia do que a comunicação. Neste caso, o problema se relaciona à estabilidade dos enlaces, bem como ao curto intervalo de tempo disponível para transmitir e receber dados. Logo, o melhor é comunicar o menos possível. Com relação à interação entre nós sensores estáticos, os problemas de disseminação e alocação de missões de sensoriamento são estudados e uma solução que explora o uso de informações locais é proposta e avaliada. Esta solução emprega agentes de software móveis que têm a capacidade de tomar decisões autônomas através do uso de informações de contexto local. Para redes de sensores móveis, o problema estudado se refere a como transferir missões entre os nós sensores de acordo com seu movimento e localização em relação aos locais onde as missões devem ser executadas. Para tratar este problema, uma abordagem baseada em agentes móveis é proposta, na qual os agentes implementam a migração das missões de sensoriamento usando informações de contexto geográfico para decidir a respeito de suas migrações. Para redes de sensores com sensores estáticos e móveis, a cooperação entre eles é abordada através de um mecanismo com inspiração biológica para realizar a realizar a entrega de dados emitidos pelos sensores estáticos aos sensores móveis. Para isto, explora-se uma analogia baseada no comportamento de formigas na construção e seguimento de trilhas. As soluções propostas são flexíveis, sendo aplicáveis a diferentes domínios de aplicação. Resultados experimentais evidenciam sua escalabilidade, avaliando, por exemplo, seu custo em termos de comunicação, além de outras métricas de interesse para cada uma das soluções. Estes resultados são comparados aos atingidos por soluções de referência (solução ótima teórica e baseada em inundação), indicando sua eficiência. Estes resultados são próximos do ótimo teórico e significativamente melhores que aqueles atingidos por soluções baseadas em técnicas de inundação. / Surveillance systems are usually employed to monitor wide areas in which their users are interested in detecting and/or observing events or phenomena of their interest. The use of wireless sensor networks in such systems is of particular interest as these networks can provide a relative low cost and robust solution to cover large areas. Emerging applications in this context are proposing the use of wireless sensor networks composed of both static and mobile sensor nodes. Motivation for this trend is to reduce deployment and operating costs, besides providing enhanced functionalities. This work focuses on the proposal of solutions for wireless sensor networks including static and mobile sensor nodes specifically regarding cooperative and context aware mission setup and performance. The goal is to keep the communication costs as low as possible in the execution of the proposed solutions. This concern comes from the fact that communication increases energy consumption, which is a particular issue for energy constrained sensor nodes often used in wireless sensor networks, especially if battery supplied. In the case of the mobile nodes, this energy constraint may not be valid, since their motion might need much more energy, but links instabilities and short time windows available to receive and transmit data. Therefore, it is better to communicate as little as possible. For the interaction among static sensor nodes, the problems of dissemination and allocation of sensing missions are studied and a solution that explores local information is proposed and evaluated. This solution uses mobile software agents that have capabilities to take autonomous decisions about the mission dissemination and allocation using local context information. For mobile wireless sensor networks, the problem studied is how to perform handover of missions among the nodes according to their movements and locations in relation to the place where the missions have to be performed. To handle this problem, a mobile agent approach is proposed in which the agents implement the sensing missions’ migration from node to node using geographical context information to decide about their migrations. For the networks combining static and mobile sensor nodes, the cooperation among them is approached by a biologically-inspired mechanism to deliver data from the static to the mobile nodes. The data delivery mechanism explores an analogy based on the behaviour of ants building and following trails, inspired by the ant colony algorithm. The proposed solutions are flexible, being able to be applied to different application domains. Obtained experimental results provide evidence of the scalability of these proposed solutions, for example by evaluating their cost in terms of communication, among other metrics of interest for each solution. These results are compared to those achieved by reference solutions (theoretical optimum and floodingbased), providing indications of the proposed solutions’ efficiency. These results are considered close to the theoretical optimum one and significantly better than the ones achieved by flooding-based solutions.

Sistemas de vigilância são geralmente empregados no monitoramento de áreas de grandes dimensões nas quais seus usuários visam detectar ou observar fenômenos de seu interesse. O uso de redes de sensores sem fio nesses sistemas apresenta especial interesse, uma vez que essas redes podem apresentar soluções de baixo custo e robustas para cobrir áreas extensas. Neste contexto, novas aplicações têm surgido propondo o uso de redes de sensores sem fio compostas por nós sensores estáticos e móveis. Uma das motivações para esta tendência é a redução do custo de implantação e operação do sistema, além da possibilidade de proporcionar incremento em suas funcionalidades. O foco desta tese se concentra na proposta de soluções para redes de sensores sem fio com uso cooperativo de sensores estáticos e móveis, com particular atenção a sensibilidade ao contexto na configuração e execução de missões de sensoriamento. O objetivo é manter um baixo custo de comunicação associado às soluções propostas. Esta preocupação se dá pelo fato da comunicação aumentar o consumo de energia em redes de sensores, o que é um problema importante para nós sensores com limitada fonte de energia, i.e. baterias. No caso de nós sensores móveis, esta limitação pode não ser relevante, uma vez que seu movimento deve consumir uma quantidade muito mais expressiva de energia do que a comunicação. Neste caso, o problema se relaciona à estabilidade dos enlaces, bem como ao curto intervalo de tempo disponível para transmitir e receber dados. Logo, o melhor é comunicar o menos possível. Com relação à interação entre nós sensores estáticos, os problemas de disseminação e alocação de missões de sensoriamento são estudados e uma solução que explora o uso de informações locais é proposta e avaliada. Esta solução emprega agentes de software móveis que têm a capacidade de tomar decisões autônomas através do uso de informações de contexto local. Para redes de sensores móveis, o problema estudado se refere a como transferir missões entre os nós sensores de acordo com seu movimento e localização em relação aos locais onde as missões devem ser executadas. Para tratar este problema, uma abordagem baseada em agentes móveis é proposta, na qual os agentes implementam a migração das missões de sensoriamento usando informações de contexto geográfico para decidir a respeito de suas migrações. Para redes de sensores com sensores estáticos e móveis, a cooperação entre eles é abordada através de um mecanismo com inspiração biológica para realizar a realizar a entrega de dados emitidos pelos sensores estáticos aos sensores móveis. Para isto, explora-se uma analogia baseada no comportamento de formigas na construção e seguimento de trilhas. As soluções propostas são flexíveis, sendo aplicáveis a diferentes domínios de aplicação. Resultados experimentais evidenciam sua escalabilidade, avaliando, por exemplo, seu custo em termos de comunicação, além de outras métricas de interesse para cada uma das soluções. Estes resultados são comparados aos atingidos por soluções de referência (solução ótima teórica e baseada em inundação), indicando sua eficiência. Estes resultados são próximos do ótimo teórico e significativamente melhores que aqueles atingidos por soluções baseadas em técnicas de inundação. / Surveillance systems are usually employed to monitor wide areas in which their users are interested in detecting and/or observing events or phenomena of their interest. The use of wireless sensor networks in such systems is of particular interest as these networks can provide a relative low cost and robust solution to cover large areas. Emerging applications in this context are proposing the use of wireless sensor networks composed of both static and mobile sensor nodes. Motivation for this trend is to reduce deployment and operating costs, besides providing enhanced functionalities. This work focuses on the proposal of solutions for wireless sensor networks including static and mobile sensor nodes specifically regarding cooperative and context aware mission setup and performance. The goal is to keep the communication costs as low as possible in the execution of the proposed solutions. This concern comes from the fact that communication increases energy consumption, which is a particular issue for energy constrained sensor nodes often used in wireless sensor networks, especially if battery supplied. In the case of the mobile nodes, this energy constraint may not be valid, since their motion might need much more energy, but links instabilities and short time windows available to receive and transmit data. Therefore, it is better to communicate as little as possible. For the interaction among static sensor nodes, the problems of dissemination and allocation of sensing missions are studied and a solution that explores local information is proposed and evaluated. This solution uses mobile software agents that have capabilities to take autonomous decisions about the mission dissemination and allocation using local context information. For mobile wireless sensor networks, the problem studied is how to perform handover of missions among the nodes according to their movements and locations in relation to the place where the missions have to be performed. To handle this problem, a mobile agent approach is proposed in which the agents implement the sensing missions’ migration from node to node using geographical context information to decide about their migrations. For the networks combining static and mobile sensor nodes, the cooperation among them is approached by a biologically-inspired mechanism to deliver data from the static to the mobile nodes. The data delivery mechanism explores an analogy based on the behaviour of ants building and following trails, inspired by the ant colony algorithm. The proposed solutions are flexible, being able to be applied to different application domains. Obtained experimental results provide evidence of the scalability of these proposed solutions, for example by evaluating their cost in terms of communication, among other metrics of interest for each solution. These results are compared to those achieved by reference solutions (theoretical optimum and floodingbased), providing indications of the proposed solutions’ efficiency. These results are considered close to the theoretical optimum one and significantly better than the ones achieved by flooding-based solutions.

Climate change and the high proportion of private motorised transport leads to a high exposure of the urban population to environmental stressors such as particulate matter, nitrogen oxides, noise, and heat. The few fixed measuring stations for these stressors do not provide information on how they are distributed throughout the urban area and what influence the local urban structure has on hot and cold spots of pollution. In the measurement campaign “UmweltTracker” with 95 participants (cyclists, pedestrians), data on the stressors were collected via mobile sensors. The aim was to design and implement an application to analyse the heterogeneous data sets. In this paper we present a prototype of a visualisation and analysis application based on the Unity Game Engine, which allowed us to explore and analyse the collected data sets and to present them on a PC as well as in a VR environment. With the application we were able to show the influence of local urban structures as well as the impact of the time of day on the measured values. With the help of the application, outliers could be identified and the underlying causes could be investigated. The application was used in analysis sessions as well as a workshop with stakeholders.

De nombreux systèmes physiques complexes sont modélisés à l’aide de systèmes d’équations aux dérivées partielles comprenant éventuellement des couplages et des non linéarités. Dans ce cadre, les problématiques de commande qui cherchent à définir quels sont les moyens d’actions (éventuellement en dimension infinie) permettant d’atteindre un état désiré ne sont pas triviales.Il en est de même pour l’identification en ligne de caractéristiques du système physique à partir d’informations fournies par des observations pertinentes. Cet aspect est souvent considéré comme un problème inverse dont la résolution pose de nombreuses questions spécifiques et ardues.Afin d’illustrer la problématique du déplacement judicieux d’un ensemble de capteurs mobiles pour reconstruire un terme source dans une équation aux dérivées partielles paraboliques, un dispositif est décrit dans cette étude. Il décrit des phénomènes de convection et diffusion éventuellement non linéaires.Le travail décrit dans ce document est destiné à développer une méthodologie complète en vue de réaliser une conception optimale d'expériences dans le cadre de problèmes mal posés non linéaires associés à l'évaluation de paramètres inconnus dans des systèmes décrits par des équations aux dérivées partielles. Le prototype expérimental a pour objet de tester les performances des stratégies de déploiement optimal d'un ensemble de capteurs mobile afin d’identifier des paramètres de plusieurs sources chauffantes en mouvement. / Many complex physical systems are modeled using systems of partial differential equations including possibly coupling and non-linearity. In this context, the determination of control strategies (in infinite dimension) in order to achieve a desired state is not trivial. It is obvious that quasi on-line identification of characteristics of the physical system from information provided by relevant sensors is quite complex. This optimization problem is often formulated as an inverse problem, whose resolution raises many specific questions. To illustrate the problem of the moving of a set of mobile sensors to identify a term source in parabolic partial differential equations, an experimental device is proposed in this study. Both phenomena of convection and diffusion (possibly non-linear) are taken into account. The work described in this document is intended to develop a comprehensive methodology to achieve an optimal design of experiments for nonlinear ill-posed problems associated with the evaluation of unknown parameters in systems described by partial differential equations. The experimental prototype is intended to test the performance of strategies for optimal deployment of a mobile set of sensors to identify parameters of multiple heating sources in movement.