Este trabalho mostra a aplicação das redes de sensores sem fio na monitoração de variáveis fisiológicas de bovinos. A necessidade de experimentar técnicas de coleta de dados, que causem menos perturbações no comportamento natural dos animais de interesse da zootecnia de precisão, foi a principal motivação deste trabalho. Para testar a aplicabilidade da tecnologia das redes de sensores sem fio neste campo, foi desenvolvida uma infra-estrutura, utilizando técnicas de instrumentação eletrônica e comunicação sem fio via rádio-freqüência. A rede foi projetada com o protocolo floating base sensor network (FBSN) que implementa uma topologia adhoc com escolha aleatória dos nós. Os protótipos desenvolvidos foram utilizados para efetuar coletas de sinais cerebrais e temperaturas corporais de bovinos adultos. Foram desenvolvidos também os softwares embarcados e de supervisão e um simulador de deslocamento bovino, que foi utilizado como ferramenta de auxílio no projeto da infra-estrutura de monitoramento implementada. O consumo das fontes de energia e a relação custo-beneficio do sistema foram os principais itens avaliados. Os resultados obtidos mostraram que é possível utilizar redes de sensores sem fio como técnicas eficientes para coleta de dados fisiológicos de bovinos. / This work presents an application of wireless sensor networks technology used for bovine physiological variables monitoring. The main stimulus of this work was the precision animal production researcher\'s interest in developing and testing new techniques that could allow data acquisition with less interference in animal behavior. In order to test the feasibility of the wireless sensor network technology in this area, an infrastructure was developed using electronic instrumentation and radio frequency wireless communication techniques. The network was projected to support the floating base sensor network protocol that is a special kind of adhoc topology with randomic selection of path nodes. The developed prototypes were used to acquire brain electrical activity and body temperature from bovines. The development of supervisor and embedded software and a bovine\'s displacement simulator tool was also described here. The energy consumption and the cost-benefit relationship of the network nodes were the main evaluated features. The results obtained prove that the wireless sensor networks can be considered as an efficient technique to be used to acquire bovine\'s physiological data.

Em redes de sensores sem fio (RSSFs), o nó sorvedouro geralmente é a única entidade confiável. Uma RSSF desassistida é aquela na qual o nó sorvedouro está indisponível por um período de tempo, sendo necessário armazenar os dados coletados ao invés de transmiti-los para a entidade segura. Portanto, até o nó sorvedouro estar novamente disponível para a recepção dos dados, um adversário pode comprometer nós sensores distribuídos em uma região geográfica com o objetivo de encontrar e apagar determinadas unidades de dado. Com o objetivo de evitar este tipo de ataque, fornecendo sobrevivência de dados, estratégias geralmente utilizam confidencialidade e redundância de dados de forma que a agregação de dados por nós sensores seja inviável. Além disso, o decorrer do tempo permite que um adversário tenha maior poder de ataque através do comprometimento de diferentes conjuntos de nós sensores. Apresenta-se um protocolo de segurança para RSSFs desassistidas que, através da renovação do estado da rede, reduz a vantagem de um adversário em montar ataques a partir de dados obtidos com o decorrer do tempo. O mecanismo proposto fornece segurança para múltiplas unidades de dados e permite o uso de agregação de dados por nós sensores. Como forma de avaliação da proposta, foram realizados experimentos em nós sensores reais, além da elaboração de um modelo analítico e de simulações. Resultados indicam como usar o protocolo proposto em diferentes cenários para maximizar a sobrevivência de dados. Adicionalmente, apresenta-se a aplicabilidade do método proposto em cenários de redes heterogêneas, caso das redes de segurança pública, utilizando-se do paradigma de redes definidas por software (SDN) para implantação da rede. / In Wireless Sensor Networks, the base station is usually the only unconditionally trusted entity. If it is not connected for a period of time, the network is left unattended and sensor nodes cannot offload data in real time. Thus, until the base station becomes available, adversaries can compromise some sensor nodes and selectively destroy data. In order to prevent such attacks, providing the so-called data survival, strategies generally employ the use of cryptography in a scenario where decryption keys are exclusively in possession of the base station, which restricts the use of in-network aggregation. In addition, as time increases, mobile adversaries become stronger due to the ability of compromising different sets of nodes. We present a secure protocol that refreshes the state of the network and prevents adversaries from taking advantage of data obtained in prior rounds. The scheme provides security to multiple units of data and allows data aggregation to be performed by nodes. In order to evaluate the performance of the proposed scheme, we carried out measurements on real devices. We analyzed the security of the scheme analytically and through simulations. Results indicate increased time epochs before an adversary succeeds the attack, leading to more probability of data survival. We also apply our protocol to scenarios of heterogeneous networks, namely a public safety network scenario, which is deployed under the paradigm of software-defined networking (SDN).

Este trabalho tem como objetivo a aplicação do conceito de data warehouse para a agregação, gerenciamento e apresentação de dados coletados por meio de Redes de Sensores Sem Fio que monitoram polinizadores. Os experimentos científicos que utilizam tais redes para monitorar habitat geram um volume de dados que precisa ser tratado e analisado, para que possa auxiliar os pesquisadores e demais interessados nas informações. Tais dados, gerenciados e correlacionados com informações de outras fontes, podem contribuir para a tomada de decisões e ainda realimentar outros experimentos. Para a avaliação da proposta, desenvolveu-se um modelo para extração, transformação e normalização dos dados coletados por redes de sensores sem fio, contemplando ainda a carga em data warehouse. Considerou- se no modelo, dados tabulados das redes de sensores sem fio, utilizados em experimentos com abelhas e ainda dados de outras fontes sobre o cultivo de abelhas, importantes para obtenção de visões do data warehouse mais apuradas. O uso de data warehouse aplicado a esse contexto mostrou-se um alternativa viável e útil, pois facilitou a obtenção de dados consolidados sobre o experimento, importante para a tomada de decisão pelos pesquisadores e ainda, diminui o tempo gasto pelos interessados em extrair essas informações, em comparação à tradicional análise em planilhas eletrônicas. / This work aims at applying the concept of data warehouse for data aggregation, management and presentation of data collected by Wireless Sensor Networks that monitor pollinators. Scientific experiments using such networks to monitor habitat generate a volume of data that must be addressed and analyzed, so that they can help researchers and others interested in the information. This data, managed and correlated with information from other sources may contribute to the making and still replenish other experiments. For the evaluation of the proposal, it was developed a model for the extraction, processing and standardization of data collected by wireless sensor networks, covering also the load on the data warehouse. It was considered in the model tabulated data networks of wireless sensors, used in experiments with bees and even data from other sources on the cultivation of bees, important to obtain views of the data warehouse more accurate. The use of data warehouse implemented in this context proved to be a viable and useful, as it facilitated the obtaining of information for decision making by researches and stakeholders and reduces time consumed by stakeholders to extract such information.

As redes de sensores sem fio estão presentes nos mais diversos setores, formando um conjunto de elementos colaborativos que realizam o transporte da informação em cenários urbanos, agricultura de precisão, saúde e automação industrial. Sua utilização enfrenta desafios como necessidade constante de adaptações a alterações de topologia, baixas taxas de comunicação e uso eficiente de energia. Dessa forma, as aplicações dessas redes precisam suportar estas características dinamicamente. Esta tese propõe, então, um novo protocolo de roteamento: o HOFACO (Hybrid Objective Function based on Ant Colony Optimization), com base no funcionamento do padrão RPL (Routing Protocol for Low Power and Lossy Networks) aplicado à eficiência energética. Este protocolo proposto preserva as interfaces já consolidadas de roteamento e faz uso de uma informação heurística baseada em swarm intelligence (inteligência de enxames), por meio do uso de agentes - colônia de formigas -, para a composição híbrida de métricas utilizadas na avaliação do rank durante a construção de topologias. Esta proposta foi validada por meio de implementações em simulações e dispositivos reais em duas plataformas distintas: o Contiki e o OpenWSN. O processo de validação utilizou parâmetros como número de mensagens de controle, alterações de configurações topológicas, latência da rede e taxa de entrega de pacotes comparando-se a proposta a soluções tradicionais. Os resultados obtidos demonstraram um funcionamento compatível com estes parâmetros e uma melhoria em torno de 7,6% no sentido de redução do tempo de estabilização da rede. Adicionalmente, foi feito um teste comparativo de consumo de energia, evidenciando uma melhoria em termos de eficiência enérgica de até 20,9% da proposta com relação a protocolos tradicionais. / The wireless sensor networks are present in the most diverse sectors, forming a set of collaborative elements that perform the transport of information in urban scenarios, precision agriculture, health and industrial automation. Its use faces challenges as a constant need for adaptations to topology changes, low communication rates and efficient energy use. In this way, the applications of these networks must support these characteristics dynamically. This thesis proposes, therefore, a new routing protocol: the HOFACO (Hybrid Objective Function based on Ant Colony Optimization), based on the RPL (Routing Protocol for Low Power and Lossy Networks) applied to energy efficiency. This proposed protocol preserves the already consolidated routing interfaces and makes use of heuristic information based on swarm intelligence, using ant colony agents for the hybrid composition of metrics used in rank evaluation during the construction of topologies. This proposal was validated through implementations in simulations and real devices in two different platforms: Contiki and OpenWSN. The validation process used parameters such as number of control messages, changes of topological configurations, network latency and packet delivery rate, comparing the proposal to traditional solutions. The results showed a functioning compatible with these parameters and an improvement around 7.6% in the sense of reducing the time of stabilization of the network. In addition, a comparative test of energy consumption was made, evidencing an improvement in terms of energetic efficiency up to 20.9% of the proposal with respect to traditional protocols.

A presença da tecnologia da informação dentro do agronegócio tem avançado e contribuído para a obtenção de melhores resultados para a gestão e, consequentemente, para o proprietário rural. Uma área de pesquisa que tem avançado dentro do setor rural é o monitoramento e a coleta de dados dos animais, em tempo real, possibilitando ao proprietário rural gerenciar seu rebanho, sem a necessidade de se deslocar ao local monitorado ou ao ponto de coleta de dados. A utilização das redes de sensores sem fio para fins de monitoração ainda possui limitações, como por exemplo a limitação do alcance do sinal de transmissão entre os nós sensores. Atualmente as tecnologias de transmissão de dados sem fio em uma rede de sensores alcançam pequenas distâncias, limitando o processo de detecção e coleta dos dados às áreas de pastagem menores. Assim, esta pesquisa teve como objetivo avaliar, através de simulação computacional, dois tipos de protocolos de comunicação sem fio que têm potencial para serem utilizados no monitoramento de sistemas de produção animal em longas distâncias: o protocolo ZigBee e o IEEE 802.1ah. Para a realização das simulações foram utilizados os softwares OMNet++ 4.5 e uma ferramenta de extensão chamada Mixim. Para tanto, foram criados dois cenários (ambientes) para cada protocolo, onde foram definidos: a área de cobertura, em torno de 1.500 metros, topologia da rede sem fio do tipo estática, dois nós para comunicação (um coordenador e um receptor) e as características do cenário. Por meio dos resultados obtidos através de simulação computacional com aplicação das métricas: distância, latência e taxa de perda de pacotes de dados nas simulações, observou-se que o protocolo ZigBee obteve o melhor desempenho em relação à distância de cobertura do sinal e da confiabilidade dos dados transmitidos. / The presence of information technology within the agribusiness has advanced and contributed to better results for the management and, consequently, to the landowner. One area of research that has advanced into the rural sector is the monitoring and collection of animal data in real time, allowing the landowner to manage his herd, without the need to move to the monitored site or the data collection point. However the technology of wireless sensor networks used for this purpose, has limitations and one of them is the signals range factor because, in order to make the data collection is necessary to install sensors and antennas in the pasture to reach the signals. Currently, wireless data transmission technologies in a network of sensors reach short distances, limiting the detection process and data collect to smaller pasture areas. This study aimed to find a long-distance transmission solution to reach areas of larger proportions pastures, and offer the landowner new monitoring resources. The methodology used to find such a solution was through simulations, using two transmission technologies: ZigBee and IEEE 802.11ah. To perform the simulations it was used the OMNet++ software, version 4.5 and an extension tool, called the Mixim. It was created two scenarios (environments) for each protocol, where has been defined: the coverage area of about 1,500 meters, network topology wireless static type, two nodes for communication (a coordinator and a receiver) and the characteristics of the environment. Through the results obtained by computer simulation with application of the metrics: distance, latency and data packets loss rate in the simulations, it was observed that the ZigBee protocol had the best performance in relation to the signal coverage distance and the transmitted data reliability.

This work presents an extension for OpenUP software development process, which includes the disciplines of Simulation and Prototyping for developing WSN applications. The simulation discipline was created to address performance, scalability, and integration requirements in the software development process for WSN application. The prototyping discipline was created in order to improve the knowledge about the system as well as to refine information about the system gathered from simulation study. We also describe the integration of both disciplines with OpenUP based on work products. A WSN application was developed in order to illustrate the use of the proposed disciplines. The WSN application monitors the environmental conditions required to age a sugar cane spirits. During the execution, the effort and time required to perform each activity is measured. We also performed a simulation study to investigate how proposed disciplines influence the software development process. A simulator based on discrete simulation approach is described and some experiments are performed, generating valuable results. Experiments with different team sizes and process models are performed and described. And their results are illustrated.

Many schemes that aim to tune the IEEE 802.11e EDCA transmission parameters have been proposed in the literature. Based on them, we notice that the knowledge of the numbers of active transmission queues of each Access Category has an important role in modeling and optimizing the network. In this dissertation, we propose a simple and standard-compliant mechanism that processes easily obtained traffic measurements into a novel Extended Kalman Filter (EKF) to obtain estimates of those numbers. For validating the filter, we simulate an EDCA network that uses a dynamic throughput optimization scheme requiring knowledge of the numbers of active queues of each Access Category. We compare the performance results when the optimizer is fed with estimates of the EKF (practical setting) and when the inputs are the exact numbers of active queues (ideal setting). We find out that the filter is precise and accurate enough to match closely the ideal performance.

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.

Made available in DSpace on 2015-04-14T14:49:07Z (GMT). No. of bitstreams: 1 413102.pdf: 1154669 bytes, checksum: f44f67d48eecd7a5905469e66658d40f (MD5) Previous issue date: 2007-08-31 / Este trabalho descreve o R-MAC, um protocolo de acesso ao meio projetado para atender as requisi??es de energia das Redes de Sensores Sem Fio (RSSFs). A fim de melhor explicar o protocolo proposto, em um primeiro momento foi realizado um estudo em redes wireless em geral. Todas as camadas de uma RSSF s?o introduzidas, com ?nfase na camada de controle de acesso ao meio (MAC), que ? a motiva??o principal do R-MAC. O problema do acesso ao meio ? discutido, e alguns t?picos de interesse s?o investigados. Uma discuss?o de protocolos relacionados tamb?m ? conduzida, e os aspectos espec?ficos dos protocolos estudados considerados no projeto do R-MAC. O R-MAC foi desenvolvido para RSSF dirigidas a eventos, com coleta peri?dica, insens?vel a lat?ncia da rede e com baixa taxa de envio. A efici?ncia no consumo de cada nodo, aumenta o tempo de vida da RSSF como um todo. Al?m disso, prop?e-se uma t?cnica para buscar novas conex?es toda vez que um nodo sair da rede. Esta t?cnica resulta no aumento da intera??o de cada nodo com a rede. O protocolo proposto ? de f?cil implementa??o em nodos de RSSFs baseados em microprocessador, e suas efici?ncia e aplicabilidade foram mostradas com a avalia??o de equa??es para estimar o consumo de pot?ncia.

Submitted by Bruno Monteiro Pires null (brunomonteiropires@gmail.com) on 2017-03-26T17:30:46Z No. of bitstreams: 1 [ExemplarDefinitivo]Dissertacao_BrunoMonteiroPires.pdf: 2266231 bytes, checksum: a2a20d6564dd53026d68385939001d1c (MD5) / Approved for entry into archive by Luiz Galeffi (luizgaleffi@gmail.com) on 2017-03-29T18:43:55Z (GMT) No. of bitstreams: 1 pires_bm_me_sjrp.pdf: 2266231 bytes, checksum: a2a20d6564dd53026d68385939001d1c (MD5) / Made available in DSpace on 2017-03-29T18:43:55Z (GMT). No. of bitstreams: 1 pires_bm_me_sjrp.pdf: 2266231 bytes, checksum: a2a20d6564dd53026d68385939001d1c (MD5) Previous issue date: 2017-03-03 / Redes de sensores sem fios possibilitam o monitoramento dos mais diversos fenômenos e processos, além de abrir caminho para a criação de uma nova geração de dispositivos inteligentes, dinâmicos e interconectados. A diversidade das aplicações as quais se destinam estes sistemas, no entanto, impõe uma série de restrições de projeto, o que favorece iniciativas de desenvolvimento orientadas à aplicação. Embora esta abordagem leve à criação de soluções eficazes para aplicações específicas, estabelece um padrão de desenvolvimento restrito e desconsidera possibilidades de otimização mais abrangentes. Atualmente existem iniciativas de padronização bastante ativas para esta categoria de sistemas, como é o caso do IEEE 802.15.4, no entanto ainda restam questões não resolvidas, comuns à maioria das redes de sensores sem fios, como é o caso da instabilidade inerente aos links de rádio de baixa potência. Este trabalho tem como objetivo utilizar mecanismos disponibilizados por padrões bem estabelecidos como o IEEE 802.15.4 para mitigar os problemas de instabilidade relacionados aos links de comunicação nas redes de sensores sem fios, criando uma plataforma de desenvolvimento robusta e versátil, alinhada com os esforços de padronização que se encontram em andamento. Este trabalho apresenta uma proposta para a arquitetura de nodos de sensores sem fios, a qual busca complementar o modelo genérico comumente utilizado, através da adição de suporte à diversidade de interfaces. Também é introduzida uma proposta de extensão para a camada MAC do padrão IEEE 802.15.4, capaz de abstrair as particularidades relacionadas à transmissão de dados em nodos dotados de múltiplas interfaces de comunicação. A fim de validar as propostas realizadas, são descritos e executados experimentos utilizando protótipos reais, construídos com base na arquitetura sugerida anteriormente. Os resultados obtidos demonstram que a grande variedade de interfaces disponibilizada pelo IEEE 802.15.4 é suficiente para implementação de sistemas de comunicação robustos, baseados na técnica de diversidade de interfaces. Também conclui-se que as camadas inferiores da pilha de protocolos são capazes de fornecer informações suficientes para que se possa prever com precisão razoável a qualidade dos links de comunicação. Por fim constata-se, que através da utilização de algoritmos de estimativa de qualidade dos links, em conjunto com técnicas de diversidade de interfaces, pode-se obter links de comunicação mais robustos, com baixo overhead energético. / Wireless Sensor Networks enable the monitoring of various process and fenomena, also leading the way to the creation of a new generation of smart, dynamic and interconected devices. The great diversity of applications to which these systems are intended for, however, put several constraints on it’s projects, motivating the use of application oriented solutions. Although this approach might lead to effective solutions for targeted applications, it also ignores wider optimization possibilities. Currently there are some very active ongoing standardization efforts related to low-power wireless sensor networks, like the IEEE 802.15.4 standard, however there are still unresolved issues, common to the vast majority of these systems like, for example, the inherent unstability of low power wireless comunication links. This paper’s main goal is to provide solutions to mitigate link stability issues related to most of the common wireless sensor network’s radio communication systems. By utilizing mechanisms provided by well established standards, like IEEE 802.15.4, a robust and flexible development platform, aligned with the ongoing standardization processes, will be created. This paper proposes a wireless sensor node architecture that intends to complement most common generic models by adding suport to interface diversity. It also proposes an amendment to IEEE 802.15.4 MAC layer, by adding the capabilities needed to handle interface diversity specifics. In order to validate the previously made proposals, prototipes based on the sugested architecture were built and real-life experiments were conducted. The results indicate firstly that the great number of interfaces supported by IEEE 802.15.4 is enough to allow for the use of frequency based interface diversity technics. It is also possible to conclude that the lower layers of the protocol stack are able to provide enough information to predict link quality with reasonable accuracy. Finally we conclude that through the use link quality estimation algorithms in conjunction with interface diversity techniques it is possible to attain more robust communication links, without incurring in great power consumption overhead.