Neste trabalho foi realizado um estudo de aspectos relacionados ao uso de uma Rede de Sensores sem Fio, como uma tecnologia de apoio para o monitoramento ambiental em vinhedos. Com o intuito de estender o tempo de duração das baterias dos nos sensores dessa rede, procurou-se evitar coletas desnecessárias de dados. O programa aplicativo dos nos foi redefinido para possibilitar a escolha de um intervalo de amostragem próximo das necessidades, sendo essa escolha feita pelos próprios nos, a partir de condições predefinidas no aplicativo. A área de aplicação escolhida foi a viticultura, devido a grande influencia das condições ambientais no desenvolvimento fisiológico das videiras, influenciando no rendimento e na qualidade das uvas produzidas, justificando a adoção de um sistema de monitoramento. Uma das características dessas redes que motiva a sua aplicação na área agrícola e a possibilidade de coleta de dados com a resolução espaço-temporal adequada, permitindo aplicar eficientemente os conceitos da Agricultura de Precisão. Realizaram-se experimentos em um parreiral cultivado sob cobertura plástica, localizado em Bento Gonçalves, RS. Os aspectos da rede estudados compreenderam: o alcance de conectividade e qualidade do enlace entre os nos e a estação base; o desempenho da rede com os nos posicionados em diferentes alturas; a exatidão dos dados coletados, em comparação com um equipamento de maior precisão; e a avaliação da variabilidade microclimática dentro do parreiral. A validação da proposta envolveu a implementação de um protótipo funcional, testado em laboratório. O modelo proposto permitiu estimar o tempo de vida dos nos, considerando-se parâmetros como o tipo de bateria, o intervalo de amostragem e o tamanho do pacote de dados enviados pelos nos. Os resultados obtidos evidenciaram a existência de variabilidade microclimática tanto em diferentes alturas da videira, como espacialmente, dentro do parreiral. A interferência dos vegetais devido a água que contém foi avaliada a partir de dois parâmetros: o indicador de intensidade de sinal recebido e de qualidade de enlace, que indicaram maior interferência na altura do dossel das videiras. A correlação entre esses parâmetros levou a constatação que o melhor desempenho e o maior alcance de conectividade ocorrem com os nos posicionados na altura do cacho das videiras se comparados com as medições realizadas no dossel. A amostragem variável permitiu uma economia no numero de pacotes enviados, com menor consumo de energia, o que foi comprovado com o modelo proposto para tal finalidade. / A study of issues related to using a Wireless Sensor Network was carried out, as an enabling technology for environmental monitoring in vineyards. In order to extend the duration of sensor nodes batteries of the network, collecting unnecessary data was avoided. The nodes application program was redefined to allow the choice of a sampling interval close to the needs, and the choice made by the nodes themselves, based on predefined conditions in their application. The application area chosen was the viticulture because of the large influence of environmental conditions on the physiological development of the vines, influencing the yield and quality of produced grapes, justifying the adoption of a monitoring system. One of the characteristics of such networks that motivates its application in agriculture is the possibility of collecting data with the appropriate spatial and temporal resolution, allowing to efficiently apply the concepts of Precision Agriculture. Experiments were conducted in a vineyard cultivated under plastic overhead cover, situated in Bento Gonçalves, RS. The network aspects studied involved: connectivity range and link quality between nodes and gateway; network performance with nodes positioned at different heights; collected data accuracy, compared with a higher precision equipment; and microclimatic variability evaluation within the vineyard. The proposal validation involved the implementation of a functional prototype, tested in the laboratory. The model allowed estimating the nodes lifetime, considering parameters such as battery type, sampling interval and data packet size sent by sensor nodes. Results showed the existence of microclimatic variability both at different heights of the vine, and spatially within the vineyard. Vegetables interference due to the water contained in them was evaluated from two parameters: Received Signal Strength Indicator and Link Quality Indicator, which indicated greater interference in the height of the vines canopy. The correlation between these parameters led to the conclusion that the best performance and increased connectivity range occur with nodes positioned at the height of the bunch of grapes as compared with measurements made in the canopy. The variable sampling allowed savings in the number of sent packets, with lower power consumption, which agrees with the proposed model for this purpose.

Neste trabalho foi realizado um estudo de aspectos relacionados ao uso de uma Rede de Sensores sem Fio, como uma tecnologia de apoio para o monitoramento ambiental em vinhedos. Com o intuito de estender o tempo de duração das baterias dos nos sensores dessa rede, procurou-se evitar coletas desnecessárias de dados. O programa aplicativo dos nos foi redefinido para possibilitar a escolha de um intervalo de amostragem próximo das necessidades, sendo essa escolha feita pelos próprios nos, a partir de condições predefinidas no aplicativo. A área de aplicação escolhida foi a viticultura, devido a grande influencia das condições ambientais no desenvolvimento fisiológico das videiras, influenciando no rendimento e na qualidade das uvas produzidas, justificando a adoção de um sistema de monitoramento. Uma das características dessas redes que motiva a sua aplicação na área agrícola e a possibilidade de coleta de dados com a resolução espaço-temporal adequada, permitindo aplicar eficientemente os conceitos da Agricultura de Precisão. Realizaram-se experimentos em um parreiral cultivado sob cobertura plástica, localizado em Bento Gonçalves, RS. Os aspectos da rede estudados compreenderam: o alcance de conectividade e qualidade do enlace entre os nos e a estação base; o desempenho da rede com os nos posicionados em diferentes alturas; a exatidão dos dados coletados, em comparação com um equipamento de maior precisão; e a avaliação da variabilidade microclimática dentro do parreiral. A validação da proposta envolveu a implementação de um protótipo funcional, testado em laboratório. O modelo proposto permitiu estimar o tempo de vida dos nos, considerando-se parâmetros como o tipo de bateria, o intervalo de amostragem e o tamanho do pacote de dados enviados pelos nos. Os resultados obtidos evidenciaram a existência de variabilidade microclimática tanto em diferentes alturas da videira, como espacialmente, dentro do parreiral. A interferência dos vegetais devido a água que contém foi avaliada a partir de dois parâmetros: o indicador de intensidade de sinal recebido e de qualidade de enlace, que indicaram maior interferência na altura do dossel das videiras. A correlação entre esses parâmetros levou a constatação que o melhor desempenho e o maior alcance de conectividade ocorrem com os nos posicionados na altura do cacho das videiras se comparados com as medições realizadas no dossel. A amostragem variável permitiu uma economia no numero de pacotes enviados, com menor consumo de energia, o que foi comprovado com o modelo proposto para tal finalidade. / A study of issues related to using a Wireless Sensor Network was carried out, as an enabling technology for environmental monitoring in vineyards. In order to extend the duration of sensor nodes batteries of the network, collecting unnecessary data was avoided. The nodes application program was redefined to allow the choice of a sampling interval close to the needs, and the choice made by the nodes themselves, based on predefined conditions in their application. The application area chosen was the viticulture because of the large influence of environmental conditions on the physiological development of the vines, influencing the yield and quality of produced grapes, justifying the adoption of a monitoring system. One of the characteristics of such networks that motivates its application in agriculture is the possibility of collecting data with the appropriate spatial and temporal resolution, allowing to efficiently apply the concepts of Precision Agriculture. Experiments were conducted in a vineyard cultivated under plastic overhead cover, situated in Bento Gonçalves, RS. The network aspects studied involved: connectivity range and link quality between nodes and gateway; network performance with nodes positioned at different heights; collected data accuracy, compared with a higher precision equipment; and microclimatic variability evaluation within the vineyard. The proposal validation involved the implementation of a functional prototype, tested in the laboratory. The model allowed estimating the nodes lifetime, considering parameters such as battery type, sampling interval and data packet size sent by sensor nodes. Results showed the existence of microclimatic variability both at different heights of the vine, and spatially within the vineyard. Vegetables interference due to the water contained in them was evaluated from two parameters: Received Signal Strength Indicator and Link Quality Indicator, which indicated greater interference in the height of the vines canopy. The correlation between these parameters led to the conclusion that the best performance and increased connectivity range occur with nodes positioned at the height of the bunch of grapes as compared with measurements made in the canopy. The variable sampling allowed savings in the number of sent packets, with lower power consumption, which agrees with the proposed model for this purpose.

Submitted by Emanuel Varela Cardoso (emanuel.varela@ufcg.edu.br) on 2018-08-24T20:51:57Z No. of bitstreams: 1 RUAN DELGADO GOMES – TESE (PPGEEI) 2017.pdf: 20190080 bytes, checksum: c170f5c01c9d6fd739d197414aee12e7 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-08-24T20:51:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 RUAN DELGADO GOMES – TESE (PPGEEI) 2017.pdf: 20190080 bytes, checksum: c170f5c01c9d6fd739d197414aee12e7 (MD5) Previous issue date: 2017-06-14 / O uso de Redes de Sensores sem Fio Industriais (RSSFIs) para implementar aplicações de monitoramento ou controle apresenta vantagens em comparação ao uso de redes cabeadas, como a maior flexibilidade e o menor custo de implantação. No entanto, é necessário lidar com problemas típicos das redes sem fio, como interferência e o alto nível de atenuação em pequena e larga escala. Além disso, as características do canal sem fio variam com o tempo e uma RSSFI deve ser capaz de se adaptar a essas variações para manter boa qualidade de serviço durante sua operação. Estratégias adaptativas, como a alocação dinâmica de canais, permitem lidar com os problemas mencionados. Para isso, o primeiro passo é estimar a qualidade dos enlaces, de modo que os nós da rede possam decidir se uma mudança de canal é necessária. Esta tese apresenta como contribuição um novo estimador de qualidade de enlace (LQE) e um novo tipo de nó, o nó LQE, que estima a qualidade dos enlaces em tempo real, usando informações obtidas a partir do transceptor, e informações extraídas de pacotes de dados recebidos. O estimador proposto considera problemas causados pelo perfil de multipercurso do ambiente na qualidade do canal,interferência e assimetria. Um protótipo foi desenvolvido e a solução foi validada por meio de experimentos em um ambiente industrial real. Diferente de outros LQEs encontrados na literatura, a solução proposta não gera tráfego extra na rede e não causa sobrecarga nos nós finais. Com base no LQE proposto, um novo protocolo de acesso ao meio foi desenvolvido. O protocolo usa adaptação de canal para a transmissão de pacotes de dados e salto em frequência para a transmissão de pacotes em broadcast. A taxa de recepção de pacote média na camada de aplicação permaneceu perto do pico para todos os cenários avaliados com o protocolo proposto, mesmo considerando as variações na qualidade dos canais ao longo do tempo. Os resultados indicam que o protocolo proposto apresenta desempenho superior aos protocolos de acesso ao meio definidos pelos padrões para RSSFI, em termos de confiabilidade e determinismo. Vários resultados experimentais obtidos em ambientes industriais também são descritos e é proposto um novo modelo para simulação de protocolos multicanais. O modelo é capaz de capturar os efeitos de atenuação por multipercurso, sombreamento, assimetria, as características não estacionárias do canal sem fio e a descorrelação entre diferentes canais. / Industrial Wireless Sensor Networks (IWSNs), that is used to implement monitoring and control applications, presents certain advantages when compared to wired networks, including higher flexibility and lower deployment costs. However, it is necessary to deal with typical problems of wireless networks, such as interference and a high attenuation, in small and large scale. In addition, the characteristics of the wireless channel may change over time, and an IWSN needs to self adapt to these variations to maintain a good quality of service during its operation. Adaptive mechanisms, such as, dynamic channel allocation, are used to deal with the aforementioned problems. For this, the first step is to estimate the link quality, so that the network nodes can decide if a channel change is needed. This thesis presents as a contribution a novel Link Quality Estimator (LQE), and a new type of node, the LQE node, that estimates the quality of the links in real-time, using information obtained from the transceiver, and information obtained from received data packets. The proposed LQE deals with the problems caused by the multipath profile of the environment in channel quality, interference and asymmetry. A prototype was developed and the LQE was validated by experiments in an actual industrial environment. Different from other LQEs in the literature, the solution proposed in this thesis does not cause overhead at the end-nodes and on the network. Based on the proposed LQE, a novel MAC protocol was developed. The protocol uses channel adaptation for the transmission of unicast data packets, and frequency hopping for the transmission of broadcast packets. The packet reception rate at the application layer was at the peak for all scenarios that were evaluated using the proposed protocol, even considering the variations in channel quality over time. The results indicate that the proposed protocol presents a better performance in comparison to the MAC protocols defined by the standards for IWSN, in terms of reliability and determinism. Several experimental results obtained in industrial environments are also described, and a new model for simulation of multi-channel protocols is proposed. The model includes the effects of multipath fading, shadowing, asymmetry, the non-stationary characteristics of the channel, and the uncorrelation of the different channels.