Wireless sensor networks (WSNs) have been used in many applications by deploying tiny and stationary sensors. In recent years, a lot of studies proposed to introduce mobility capability to sensor nodes in order to exploit the advantages of mobility, particularly to restore connectivity in disjoint WSNs. While the studies demonstrated various capabilities of the proposed connectivity algorithms via simulation, real node and testbed implementations were mostly lacking due to unavailability of proper mobile nodes. Since this may hinder the direct applicability of the algorithms in realistic settings, testbeds which can be constructed with low-cost and commercial-off-the-shelf (COTS) hardware are required for realistic evaluations of the connectivity restoration algorithms. In this thesis, we design a low-cost mobile sensor node called iRobotSense, by integrating iRobot Create platform with IRIS sensor. Then, a mobile sensor network (MSN) testbed of iRobotSense nodes is used to implement and evaluate a widely used connectivity restoration algorithms, namely PADRA. Furthermore, all of the previous works exploiting mobility of the nodes to achieve recovery in a partitioned network have assumed reachability of the nodes to the selected destinations via a direct path movement. However, in real-world applications, such assumption makes the schemes impractical in case of encountering obstacles or intolerable terrains. Besides, even if direct path movement is successful, optimal energy efficiency cannot be attained by neglecting the elevation or friction of the terrain. Thus, in the recovery efforts, terrain type, elevation as well as the obstacles should be taken into account. In this thesis, we re-design an existing connectivity restoration approach in disjoint MSNs to fit these requirements and evaluate the performance issues when realistic terrains are assumed. Rather than following a direct path, movement trajectory is determined based on a path planning algorithm which considers the risk and elevation of terrain sections to be visited while avoiding obstacles and highly elevated terrain sections.

Com o aumento das aplicações e dispositivos para Internet das Coisas, muitos esforços para reduzir potência dissipada nos transceptores foram investidos. A maioria deles, entretanto, focam individualmente no rádio, nos conversores analógicos para digital e viceversa, e na arquitetura de banda base digital. Como consequência, há pouca margem para melhorias na potência dissipada nestes blocos isolados que compense o enorme esforço. Portanto, este trabalho propõe uma arquitetura adaptativa a nível de sistema focando em reduzir o consumo no conversor analógico para digital e no receptor digital. Ele utiliza um algoritmo robusto para o receptor banda base digital, um conversor analógico para digital topologia Sigma-Delta e um bloco de controle realimentado conforme a relação sinal ruído medida do pacote recebido. O sistema foi projetado para o protocolo IEEE 802.15.4. Para validação do sistema e estimar a potência consumida foi feito um modelo de sistema utilizando a ferramenta Matlab, uma descrição do hardware em linguagem Verilog e uma síntese lógica utilizando o processo da X-FAB XC018. As simulações mostram uma redução na potência consumida pelo sistema de até 13% e ainda atingindo os requisitos do protocolo. Os resultados deste trabalho foram publicados na conferência internacional em tecnologia de instrumentação e medidas de 2014 realizada na cidade de Montevidéu no Uruguai. / With the increase of Internet of Things applications and devices, many efforts to reduce power consumption in transceiver has been invested. Most of them targeted in RF frontend, converters, or in the digital baseband architecture individually. As result, there are few margins nowadays for power improvement in these blocks singly that compensates the huge hard work required. The next optimization step leads to a system level analysis seeking design space and new possibilities expansion. It is in this field that adaptive systems approaches are conquering ground recently. The solutions combines Radio Frequency (RF) and process variation techniques, Low Pass Filters (LPF) and Analog to Digital Converters (ADCs) adjustment for better performance, digital baseband bit width adaptive according to income packet SNR, configurable ADC resolution and topology, and others. In this scenario the current work proposes an adaptive system level architecture targeting ADC and digital receiver power reduction. It uses a robust algorithm for digital baseband receiver, a Sigma-Delta ADC, and suggests a feedback control block based on packet SNR measure. The system was designed for the IEEE 802.15.4 standard and required system modeling using Matlab tool, hardware description in Verilog language, and logic synthesis using X-FAB XC018 process for validation and power consumption estimation. Simulations show up to 15% of system power reduction and still meeting the standard requirements. The work results were published in the International Instrumentation and Measurement Technology Conference of 2014 occurred in Montevideo - Uruguay.

Este trabalho avalia o desempenho de um controlador fuzzy (tipo Takagi-Sugeno-Kang) quando, utilizando tecnologia sem fio para conectar as entradas e a saída do controlador aos sensores/atuadores, sofre perda das informações destes canais, resultado de perdas de pacotes. Tipicamente são utilizados controladores PID nas malhas de controle. Assim, o estudo realizado compara os resultados obtidos com os controladores fuzzy com os resultados dos controladores PID. Além disso, o trabalho visa estudar o comportamento deste controlador implementado em uma arquitetura microprocessada utilizando números inteiros nos cálculos, interpolação com segmentos de reta para as funções de pertinência da entrada e singletons nas funções de pertinência da saída. Para esse estudo foi utilizado, num ambiente Matlab/Simulink, um controlador fuzzy e o aplicativo True Time para simular o ambiente sem fio. Desenvolvido pelo Departamento de Controle Automático da Universidade de Lund, o True Time é baseado no Matlab/Simulink e fornece todas as ferramentas necessárias para a criação de um ambiente de rede (com e sem fio) virtual. Dado o paradigma de que quanto maior for a utilização do canal, maior a degradação do mesmo, é avaliado o comportamento do sistema de controle e uma proposta para diminuir o impacto da perda de pacotes no controle do sistema, bem como o impacto da variação das características internas da planta e da arquitetura utilizada na rede. Inicialmente são realizados ensaios utilizando-se o controlador fuzzy virtual (Simulink) e, posteriormente, o controlador implementado com dsPIC. Ao final, é apresentado um resumo desses ensaios e a comprovação dos bons resultados obtidos com um controlador fuzzy numa malha de controle utilizando uma rede na entrada e na saída do controlador. / This work evaluates the performance of a fuzzy controller (Takagi-Sugeno-Kang) that uses wireless technology to connect the inputs and the output of the controller to sensors / actuators, and with the loss of information from these channels, the result of packet loss. PID controllers are typically used in control loops. Thus, the study compares the results obtained with the fuzzy controllers with the results of PID controllers. Moreover, the work aims to study the behavior of this controller implemented in a microprocessor architecture using integer calculations, interpolation with straight line segments for the membership functions of input and singletons in the output membership functions. For this study it was used in a Matlab/Simulink, a fuzzy controller and the application True Time to simulate wireless environment (Developed by the Department of Automatic Control at Lund University). It is based on MATLAB/Simulink and provides all the tools necessary to create a virtual network environment (wired and wireless). When we increase the occupation of the channel we increase the degradation of it. Under this conditions, is rated the behavior of the control system and is evaluated, and actions were proposal to reduce the impact of packet loss in the control system, as well as the impact of variations in the internal characteristics of plant and architecture used in the network. Initially, tests are conducted using the virtual fuzzy controller (Simulink ) and thereafter, the controller implemented with dsPIC. Finally, a summary of testing and verification of results are presented.

A wireless sensor network (WSN) is made of tiny sensor nodes usually deployed in high density within a targeted area to monitor a phenomenon of interest such as temperature, vibration or humidity. The WSNs can be employed in various applications (e.g., Structural monitoring, agriculture, environment monitoring, machine health monitoring, military, and health). For each application area there are different technical issues and remedies. Various challenges need to be considered while setting up a WSN, including limited computing, memory and energy resources, wireless channel errors and network scalability. One way of addressing these problems is by implementing a routing protocol that efficiently uses these limited resources and hence reduces errors, improves scalability and increases the network lifetime. The topology of any network is important and wireless sensor networks (WSNs) are no exception. In order to effectively model an energy-efficient routing algorithm, the topology of the WSN must be factored in. However, little work has been done on routing for WSNs with regular patterned topologies, except for the shortest path first (SPF) routing algorithms. The issue with the SPF algorithm is that it requires global location information of the nodes from the sensor network, which proves to be a drain on the network resources. In this thesis a novel algorithm namely, BRALB (Biased Random Algorithm for Load Balancing) is proposed to overcome the issues faced in routing data within WSNs with regular topologies such as square-base topology and triangle-based topology. It is based on random walk and probability. The proposed algorithm uses probability theory to build a repository of information containing the estimate of energy resources in each node, in order to route packets based on the energy resources in each node and thus does not require any global information from the network. It is shown in this thesis by statistical analysis and simulations that BRALB uses the same energy as the shortest path first routing as long as the data packets are comparable in size to the inquiry packets used between neighbours. It is also shown to balance the load (i.e. the packets to be sent) efficiently among the nodes in the network. In most of the WSN applications the messages sent to the base station are very small in size. Therefore BRALB is viable and can be used in sensor networks employed in such applications. However, one of the constraints of BRALB is that it is not very scalable; this is a genuine concern as most WSNs deployment is large scale. In order to remedy this problem, C-BRALB (Clustered Biased Random Algorithm for Load Balancing) has been proposed as an extension of BRALB with clustering mechanism. The same clustering technique used in Improved Directed Diffusion (IDD) has been adopted for C-BRALB. The routing mechanism in C-BRALB is based on energy biased random walk. This algorithm also does not require any global information apart from the initial flooding initiated by the sink to create the clusters. It uses probability theory to acquire all the information it needs to route packets based on energy resources in each cluster head node. It is shown in this thesis by using both simulations and statistical analysis that C-BRALB is an efficient routing algorithm in applications where the message to be sent is comparable to the inquiry message among the neighbours. It is also shown to balance the load (i.e. the packets to be sent) among the neighbouring cluster head nodes.

A segurança da informação, a diversidade de rotas entre os dispositivos da rede, o acesso ao meio de modo determinístico e isento de colisões e a mudança de canal frequente tornam a comunicação no protocolo WirelessHART robusta e confiável para utilização em meio industrial. Entretanto, para adoção crescente dessa tecnologia, é necessário que os fabricantes de sensores e atuadores industriais desenvolvam dispositivos WirelessHART. Disto surge a necessidade de criação de ferramentas capazes de auxiliar o desenvolvimento e depuração destes novos dispositivos de rede. O Analisador de rede WirelessHART é, sem dúvida, uma delas. Diversas abordagens são propostas para a análise de redes WirelessHART. Entretanto, em todas elas a utilização de um microcomputador como elemento do sistema inviabiliza sua utilização em campo. A presença de cabos, armazenamento local dos dados e exigência de baterias são alguns dos aspectos relevantes que devem ser levados em consideração quando o sistema precisa ser utilizado em campo. O presente trabalho propõe alternativas aos sistemas de análise de redes atuais apresentando duas propostas conceitualmente diferentes mas que cumprem os requisitos básicos para sua utilização em campo. Uma destas abordagens, baseada na proposta de integração entre um dispositivo de campo e o método inovador de captura de mensagens utilizando apenas um transceptor, é implementado como prova do conceito. / WirelessHART is a robust and reliable protocol for industrial environment usage because of its secure mechanism, the ability of programming several communication routes between network devices, and deterministic, free of collisions channel hopping medium access controller. However, in order to increase the adoption of this technology, it is necessary to increase the amount of WirelessHART manufacturers to develop industrial sensors and actuators devices. This leads to the necessity of create tools that will assist the development and debugging of new network compliant devices. The WirelessHART network analyzer is undoubtedly one of these tools. Various approaches are being proposed for the analysis of WirelessHART networks. However, all of them make use of a microcomputer as an element of the whole system and this difficults their use in real field applications. The presence of wires, lack of local data storage and other aspects such as batteries limitations must be considered when the users intend to use analysis systems in field. This work proposes alternatives to current analysis networks systems by presenting two conceptually different proposals that meet the basic requirements for the use in the field. One of them is based on the proposed integration between a field device and an innovative method of capturing messages using only one transceiver, which is implemented as proof of concept.

Com o aumento das aplicações e dispositivos para Internet das Coisas, muitos esforços para reduzir potência dissipada nos transceptores foram investidos. A maioria deles, entretanto, focam individualmente no rádio, nos conversores analógicos para digital e viceversa, e na arquitetura de banda base digital. Como consequência, há pouca margem para melhorias na potência dissipada nestes blocos isolados que compense o enorme esforço. Portanto, este trabalho propõe uma arquitetura adaptativa a nível de sistema focando em reduzir o consumo no conversor analógico para digital e no receptor digital. Ele utiliza um algoritmo robusto para o receptor banda base digital, um conversor analógico para digital topologia Sigma-Delta e um bloco de controle realimentado conforme a relação sinal ruído medida do pacote recebido. O sistema foi projetado para o protocolo IEEE 802.15.4. Para validação do sistema e estimar a potência consumida foi feito um modelo de sistema utilizando a ferramenta Matlab, uma descrição do hardware em linguagem Verilog e uma síntese lógica utilizando o processo da X-FAB XC018. As simulações mostram uma redução na potência consumida pelo sistema de até 13% e ainda atingindo os requisitos do protocolo. Os resultados deste trabalho foram publicados na conferência internacional em tecnologia de instrumentação e medidas de 2014 realizada na cidade de Montevidéu no Uruguai. / With the increase of Internet of Things applications and devices, many efforts to reduce power consumption in transceiver has been invested. Most of them targeted in RF frontend, converters, or in the digital baseband architecture individually. As result, there are few margins nowadays for power improvement in these blocks singly that compensates the huge hard work required. The next optimization step leads to a system level analysis seeking design space and new possibilities expansion. It is in this field that adaptive systems approaches are conquering ground recently. The solutions combines Radio Frequency (RF) and process variation techniques, Low Pass Filters (LPF) and Analog to Digital Converters (ADCs) adjustment for better performance, digital baseband bit width adaptive according to income packet SNR, configurable ADC resolution and topology, and others. In this scenario the current work proposes an adaptive system level architecture targeting ADC and digital receiver power reduction. It uses a robust algorithm for digital baseband receiver, a Sigma-Delta ADC, and suggests a feedback control block based on packet SNR measure. The system was designed for the IEEE 802.15.4 standard and required system modeling using Matlab tool, hardware description in Verilog language, and logic synthesis using X-FAB XC018 process for validation and power consumption estimation. Simulations show up to 15% of system power reduction and still meeting the standard requirements. The work results were published in the International Instrumentation and Measurement Technology Conference of 2014 occurred in Montevideo - Uruguay.

CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de NÃvel Superior / As Redes de Sensores Sem Fio (RSSF) sÃo exemplos de Resource-Constrained Networks (RCNs) nas quais recursos de processamento, armazenamento e energia sÃo limitados. A partir do momento em que uma RSSF tÃpica entra em funcionamento, decorre-se um intervalo de tempo, conhecido como tempo de vida da rede, durante o qual os nÃs sensores executam operaÃÃes de sensoriamento, processamento e comunicaÃÃo, consumindo energia de suas fontes (e.g. pilhas) atà valores mÃnimos de carga que os mantÃm em operaÃÃo. Estimar a priori a estrutura probabilÃstica/estocÃstica do tempo de vida de uma RSSF antes da sua implantaÃÃo fornece meios de elaborar estratÃgias de manutenÃÃo de forma a maximizar seu tempo de vida e de garantir que a rede sobreviverà tempo suficiente para cumprir seu objetivo. Assim sendo, esta dissertaÃÃo aborda os modelos Exponencial, Weibull e Log-Normal, comumente utilizados em estudos de AnÃlise de SobrevivÃncia, para obter estimativas do tempo de sobrevivÃncia de uma rede real a partir dos tempos de vida de seus nÃs observados em simulaÃÃo. Nossa hipÃtese de base à a de que a AnÃlise de SobrevivÃncia pode melhorar a acurÃcia da estimativa do tempo de vida de uma RSSF e, por conseguinte, o seu planejamento operacional. Aqui propomos respostas a trÃs questÃes em aberto na literatura: (i) quantos nÃs sensores irÃo sair de operaÃÃo durante o tempo de vida de uma RSSF (ii) em qual intervalo de tempo a maior parte dos nÃs vai sair de operaÃÃo (iii) por quanto tempo a rede permanecerà em funcionamento. / Wireless Sensor Networks (WSN) are examples of Resource-Constrained Networks (RCNs) in which processing resources, storage and energy are limited. From the moment a typical WSN goes into operation, the sensor nodes begin to perform operations like sensing, processing and communicating, consuming the stored energy in their batteries until its ends completely, a situation that is characterized like the death of the devices and consequently the network. Knowing a priori the expected lifetime of a WSN before deploying it, enables the development of maintenance strategies to maximize it lifespan and ensure that it survives enough time to accomplish it goal. Therefore, we propose in this work the use of Exponential, Weibull and Log-Normal models, which are commonly used in studies of Survival Analysis, to infer survival statistics of a real network from the lifespans of its nodes observed in simulation. Our hypothesis is that the Survival Analysis may improve the accuracy of estimating the lifetime of a WSN and, consequently, their operational planning. This work proposes answers to three questions which are open in the literature: (i) how many sensor nodes will die during the lifetime of a WSN (ii) in which time period most of the nodes will die (iii) for how long network will remains operational.

nÃo hà / Swarming is the mass exodus of bees in a hive, whose most common causes are lack of food, stress, variations of humidity and especially high temperatures. Among the types of swarming, one in which the complete abandonment of the hive occurs has brought great harm to Brazilian beekeepers, particularly the Northeast. In the Northeast region, of great importance for the Brazilian beekeeping, and where high temperatures are common in most of the year, a large number of hives is lost due to the swarming through abandonment. In an attempt to mitigate this problem, we propose a proactive monitoring hives via a network of wireless sensors capable of identifying atypical heating indicative of a preswarming condition. By means of a sampling pattern obtained from the cyclical daily temperatures, we developed a predictive algorithm based on pattern recognition techniques capable of detecting the increase of temperature inside the beehive (microclimate) responsible for the typical stress bees culminating in swarming. Such a mechanism is also able to recognize and avoid sending redundant information over the network in order to reduce radio communication, thereby reducing costs of data transmission and energy. / EnxameaÃÃo à a saÃda em massa das abelhas de uma colmeia, cujas causas mais comuns sÃo a falta de alimentos, estresse, variaÃÃes da umidade do ar e principalmente as altas temperaturas. Dentre os tipos de enxameaÃÃo, aquela em que ocorre o abandono completo da colmeia tem trazido grandes prejuÃzos aos apicultores brasileiros, particularmente aos nordestinos. Na regiÃo Nordeste, de grande importÃncia para a produÃÃo apÃcola brasileira e onde altas temperaturas sÃo comuns na maior parte do ano, um grande nÃmero de colmeias à perdido em funÃÃo da enxameaÃÃo por abandono. Na tentativa de mitigar este problema, propomos aqui um monitoramento proativo de colmeias via uma rede de sensores sem fio capaz de identificar o aquecimento atÃpico indicativo de uma condiÃÃo prÃ-enxameatÃria. Por meio de um padrÃo de coletas obtido a partir do comportamento cÃclico de temperaturas diÃrias, elaboramos um algoritmo preditivo, baseado em tÃcnicas de reconhecimento de padrÃes, capaz de detectar o aumento da temperatura no interior da colmeia (microclima) responsÃvel pelo estresse tÃpico das abelhas que culmina na enxameaÃÃo. Tal mecanismo tambÃm à capaz de reconhecer e evitar o envio de informaÃÃes redundantes pela rede de modo a diminuir a comunicaÃÃo via rÃdio, consequentemente reduzindo custos de transmissÃo de dados e energia.

A segurança da informação, a diversidade de rotas entre os dispositivos da rede, o acesso ao meio de modo determinístico e isento de colisões e a mudança de canal frequente tornam a comunicação no protocolo WirelessHART robusta e confiável para utilização em meio industrial. Entretanto, para adoção crescente dessa tecnologia, é necessário que os fabricantes de sensores e atuadores industriais desenvolvam dispositivos WirelessHART. Disto surge a necessidade de criação de ferramentas capazes de auxiliar o desenvolvimento e depuração destes novos dispositivos de rede. O Analisador de rede WirelessHART é, sem dúvida, uma delas. Diversas abordagens são propostas para a análise de redes WirelessHART. Entretanto, em todas elas a utilização de um microcomputador como elemento do sistema inviabiliza sua utilização em campo. A presença de cabos, armazenamento local dos dados e exigência de baterias são alguns dos aspectos relevantes que devem ser levados em consideração quando o sistema precisa ser utilizado em campo. O presente trabalho propõe alternativas aos sistemas de análise de redes atuais apresentando duas propostas conceitualmente diferentes mas que cumprem os requisitos básicos para sua utilização em campo. Uma destas abordagens, baseada na proposta de integração entre um dispositivo de campo e o método inovador de captura de mensagens utilizando apenas um transceptor, é implementado como prova do conceito. / WirelessHART is a robust and reliable protocol for industrial environment usage because of its secure mechanism, the ability of programming several communication routes between network devices, and deterministic, free of collisions channel hopping medium access controller. However, in order to increase the adoption of this technology, it is necessary to increase the amount of WirelessHART manufacturers to develop industrial sensors and actuators devices. This leads to the necessity of create tools that will assist the development and debugging of new network compliant devices. The WirelessHART network analyzer is undoubtedly one of these tools. Various approaches are being proposed for the analysis of WirelessHART networks. However, all of them make use of a microcomputer as an element of the whole system and this difficults their use in real field applications. The presence of wires, lack of local data storage and other aspects such as batteries limitations must be considered when the users intend to use analysis systems in field. This work proposes alternatives to current analysis networks systems by presenting two conceptually different proposals that meet the basic requirements for the use in the field. One of them is based on the proposed integration between a field device and an innovative method of capturing messages using only one transceiver, which is implemented as proof of concept.

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