A aplicação de defensivos químicos em áreas agrícolas é de primordial importância para o rendimento de lavouras. O uso de aeronaves é cada vez mais comum em tal tarefa, principalmente pelo fato de aumentar a agilidade na operação. Entretanto, características climáticas, como intensidade e orientação do vento, podem causar prejuízo aos produtores (e.g. aplicação sobreposta dos defensivos e multas por aplicação de defensivos na borda exterior da lavoura). Essa lacuna motivou este trabalho de mestrado, que tem por objetivo avaliar um sistema integrado de veículos aéreos não tripulados (VANTs) e redes de sensores sem fio (RSSFs) para aumentar a eficiência da aplicação de defensivos químicos em campos agrícolas. Um VANT é utilizado para percorrer o campo enquanto aplica defensivos químicos. Uma RSSF com nós capazes de sensoriar a concentração de defensivos químicos é instalada no solo do campo. Os nós da RSSF e o VANT são equipados com módulos de rádio, possibilitando a troca de informação entre eles. Desse modo, o VANT consegue obter a distribuição de defensivos químicos aplicados no campo, podendo então tomar decisões para aumentar a eficiência da aplicação. Para análise desse sistema, dois experimentos foram realizados utilizando o simulador OMNeT++ e o framework MiXiM. Em um primeiro experimento é comparada a eficiência do sistema proposto com o sistema tradicional de pulverização agrícola, mostrando que é possível aumentar, em média, 16% a quantidade de defensivos químicos aplicados dentro do campo agrícola. E, em alguns casos, é possível obter um aumento de até 118,25%. No segundo experimento são analisados cinco diferentes protocolos de comunicação, mostrando que é possível otimizar o uso da bateria nos nós sensores sem fio em até 10 vezes, sem diminuir a eficiência do sistema / The use of chemical defensives in crop fields is important for the agricultural production. Often airplanes are used for spraying these products, because it adds agility in such task. But climatic characteristics, such as wind speed, may cause loss to farmers (e.g. superimposed application and fines for environment contamination). This text details an integrated system of unmanned aerial vehicle (UAV) and wireless sensor network (WSN) with the purpose of letting the aerial spraying process more precise. An UAV is used to spray chemicals in the crop field. A WSN composed of sensor nodes capable of sensoring quantities of chemical defensives is installed in the crop. Both UAV and sensor nodes are equipped with radio modules, this way they can communicate each other. Thus, the UAV may obtain the information of where the chemicals are being applied, then the UAV may take some action to performs a better spraying. This system were developed in the simulator OMNET++ using the framework MiXiM and two experiments were executed. In the first experiment the objective is to compare the efficiency of this system with the tradicional system, without the WSN. Results shown that the proposed system can improve the spraying process in 16% on average, and 118.25% on some cases. In the second experiment, five different WSN protocols were evaluated in means of battery usage of the sensor nodes. Results shown that its possible to reduce the battery usage in 10 times without intervene in the system efficiency

Ubiquitous computing describes the notion that computing devices will be everywhere: clothing, walls and floors of buildings, cars, forests, deserts, etc. Ubiquitous computing is becoming a reality: RFIDs are currently being introduced into the supply chain. Wireless distributed sensor networks (WSN) are already being used to monitor wildlife and to track military targets. Many more applications are being envisioned. For most of these applications some level of security is of utmost importance. Common to WSN and RFIDs are their severely limited power resources, which classify them as ultra-low power devices. Early sensor nodes used simple 8-bit microprocessors to implement basic communication, sensing and computing services. Security was an afterthought. The main power consumer is the RF-transceiver, or radio for short. In the past years specialized hardware for low-data rate and low-power radios has been developed. The new bottleneck are security services which employ computationally intensive cryptographic operations. Customized hardware implementations hold the promise of enabling security for severely power constrained devices. Most research groups are concerned with developing secure wireless communication protocols, others with designing efficient software implementations of cryptographic algorithms. There has not been a comprehensive study on hardware implementations of cryptographic algorithms tailored for ultra-low power applications. The goal of this dissertation is to develop a suite of cryptographic functions for authentication, encryption and integrity that is specifically fashioned to the needs of ultra-low power devices. This dissertation gives an introduction to the specific problems that security engineers face when they try to solve the seemingly contradictory challenge of providing lightweight cryptographic services that can perform on ultra-low power devices and shows an overview of our current work and its future direction.

CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / O crescimento e a diversidade de aplicaÃÃes para Redes de Sensores sem Fio (RSSFs) trouxeram novos desafios e uma maior visibilidade para a necessidade de buscar soluÃÃes para a seguranÃa dessas redes. Por exemplo, o meio fÃsico sem fio torna essas redes vulnerÃveis a diversos tipos de ataques, sendo essencial o uso de pelo menos os serviÃos bÃsicos de seguranÃa, como a confidencialidade, a integridade e a autenticaÃÃo. Entretanto, prover esses serviÃos em RSSF à um grande desafio devido Ãs severas limitaÃÃes de recursos de comunicaÃÃo, processamento, memÃria e energia dos dispositivos utilizados nessas redes. Dessa forma, a seleÃÃo dos mecanismos de seguranÃa mais apropriados levando em consideraÃÃo o desempenho à essencial para prover a seguranÃa da informaÃÃo em RSSF. Por outro lado, os principais trabalhos encontrados na literatura que objetivam avaliar o desempenho de mecanismos de seguranÃa no contexto de RSSFs apresentam grandes diferenÃas em termos de plataforma escolhida e mÃtricas avaliadas, alÃm de apresentar deficiÃncias no processo de avaliaÃÃo de desempenho utilizado. Sendo assim, este trabalho propÃe uma avaliaÃÃo de desempenho utilizando um processo sistemÃtico, baseado em abordagens de avaliaÃÃo de desempenho tradicionais, no qual os mecanismos de seguranÃa sÃo selecionados, implementados e validados. Os mecanismos de seguranÃa para prover os serviÃos de confidencialidade, integridade e autenticaÃÃo em RSSFs sÃo considerados neste trabalho. Experimentos reais sÃo realizados na plataforma MicaZ com o auxÃlio de um osciloscÃpio digital para medir o desempenho dos algoritmos utilizados. Com os resultados obtidos, espera-se oferecer um direcionamento quanto à escolha dos mecanismos de seguranÃa mais apropriados para aplicaÃÃes de RSSF. / The number and diversity of applications for Wireless Sensor Networks (WSNs) have grown in the last decade what makes more relevant the concern about information security in such networks. For example, since the wireless physical medium makes these networks vulnerable to various types of attacks, there is then a need to use at least basic security services such as confidentiality, integrity, and authentication. However, providing security in WSN faces some challenges because of the severe limitations of processing, communication, power, and memory resources of the devices used in these networks. In this context, the selection of the most appropriate security mechanisms taking into consideration their performance is essential to provide information security in WSNs. On the other hand, the main results found in the literature that aim to assess the performance of security mechanisms in the context of a WSN differ in terms of the chosen platform and evaluated metrics, and present deficiencies in the performance assessment process used. This work then proposes a performance assessment using a systematic process, based on traditional performance analysis approaches, in which security mechanisms are selected, implemented and validated. The security mechanisms considered in this work are for that provide confidentiality, integrity, and authentication services in WSNs. Real experiments are carried out on the MicaZ platform with a digital oscilloscope to measure the performance of the chosen algorithms. With the obtained results a good direction for choosing the most appropriate security mechanisms for WSN applications is aimed as another contribution of this work.

Nos últimos anos, o volume de dados e de informações disponíveis pelas RSSF cresceu consideravelmente por ser uma tecnologia que permite o desenvolvimento de aplicações em diversos tipos de ambientes (pervasivos, ubíquos, ambientes controlados e de difícil acesso), fazendo com que a preocupação em gerenciar esse conteúdo se tornasse maior. Dentre as propostas apresentadas, um grande número utiliza ontologias como forma de organizar e categorizar dados; existem duas questões chaves na gerência de dados nas redes de sensores sem fio: o armazenamento de dados e o processamento da consulta. O presente trabalho propõe uma abordagem semântica para o gerenciamento dos dados dinâmicos e estáticos da rede, oferecendo um serviço de metadados sobre as RSSF e suas aplicações; esta técnica baseia-se na construção de ontologias que permitem escalabilidade, incremento de eficiência das atividades do ambiente e reusabilidade. Verificou-se mediante testes realizados baseados em consultas sobre a ontologia que o modelo proposto é apropriado, e que a busca baseada em semântica resulta na obtenção de dados das RSSF de forma mais adequada, quanto comparada com as abordagens tradicionais. / In the recent years, the volume of data available from wireless sensor networks (WSN) has increased considerably. WSN is a technology that allows the development of applications in various types of environments (pervasives, Ubiquitous, controlled and with difficult access environment), doing that concern for content managing is greater. Among the proposals, many use ontologies as a way to organize and categorize data; there are two key issues in data management in WSN: data storage and query processing. The present work proposes a semantic approach to the management of dynamic and static data from the network, providing a metadata service on WSN and its applications; this technique is based on the construction of ontologies that allows scalability, enhancement of efficiency in the activities of the environment and reusability. It was verified by means of tests based on querys on the ontology that the proposed model is appropriate, and that the search based on semantics provided retrieval of data from WSN more adequately, as compared with traditional approaches.

As camadas de enlace empregadas em redes sem fio de baixo custo e desempenho limitado, como as redes de sensores sem fio, são implementadas segundo o padrão IEEE 802.15.4. Prever o desempenho deste padrão é importante para analisar a viabilidade e o desempenho esperado de projetos envolvendo esse tipo de rede. Constatou-se que trabalhos anteriores com esse objetivo são incompletos no tocante às métricas aferidas e tem foco no cálculo de probabilidades, o que não faz parte da especificação do padrão. Assim, o objetivo deste trabalho foi projetar e implementar um modelo comportamental do padrão IEEE 802.15.4, cujos parâmetros possam ser facilmente alterados e que seja capaz de aferir as principais métricas de uma rede: vazão, taxa de entrega, atraso e gasto de energia. Os objetivos foram cumpridos com a validação do modelo perante simulação com o NS2. Além disso, o modelo foi utilizado para estudar a variação dos parâmetros aMaxFrameRetries, macMaxCSMABackos, initialCW e aUnitBackoPeriod do padrão IEEE 802.15.4, para estudar cenários em que os nós possuem tráfego assimétrico e cenários com diferentes relações de tamanho e taxa de chegada de pacotes, mantendo a taxa de bits constante. / Low cost and performance constrained wireless networks, such as wireless sensor networks, employ IEEE 802.15.4 standard as its MAC layer. Foreseeing this standard\'s performance is essential to analyze the feasibility and expected metrics results of these networks projects. It was observed that previous works with that aim are both incomplete regarding metrics of interest and focus on probability calculation, which is not part of the standard specication. Thus, the objective of this work is to project and implement a behavioral IEEE 802.15.4 standard model, which parameters may be easily set and that covers the main metrics of interest: throughput, delivery rate, delay and energy. The objectives were achieved, with model validation against NS2 simulations. Furthermore, the model was employed to analyze the performance variation caused by the parameters aMaxFrameRetries, macMaxCSMABackos, initialCW and aUnitBackoPeriod from the IEEE 802.15.4 standard and also scenarios with asymmetric trac conditions and packet size and arrival rate variations, maintaining a constant bitrate.

A melhora na eficiência do uso do espectro de radiofrequência é fundamental para permitir um desempenho adequado dos diversos sistemas sem fio cuja complexidade e requerimentos aumentam a cada dia. O panorama atual de atribuição de canais é estático, tolerando assim, que o espectro de radiofrequência seja usado de forma desequilibrada, gerando com isso, problemas de coexistência em algumas faixas e subutilização de recursos em outras. Para contornar esse problema, tem sido proposta a ideia de introduzir algoritmos de cognição nos dispositivos sem fio, a fim de permitir um modelo de alocação dinâmico adicional. Neste, os usuários secundários equipados com rádios cognitivos podem utilizar de forma dinâmica os canais subutilizados de usuários primários. Um usuário primário tem prioridade de uso do canal como consequência da atribuição estática, porém, o uso do canal por um usuário secundário qualquer é oportunista e limitando ao tempo de inatividade do usuário primário em um determinado local. As redes de sensores sem fio trabalham em uma banda concorrida e são sistemas que podem melhorar seu desempenho utilizando um mecanismo de acesso dinâmico aos canais, possibilitando o aproveitamento dos períodos de inatividade de usuários primários ou aumentando sua capacidade de coexistência na banda de operação atual. Segundo a literatura pesquisada são vários os desafios existentes para conseguir um método distribuído de acesso dinâmico aos canais que considere as restrições de trocas de sinalizações, consumo de energia e complexidade dos dispositivos de uma rede de sensores sem fio. Neste contexto, propõe-se uma metodologia de sensoriamento e acesso dinâmico aos canais para uma rede de sensores sem fio considerando a simplicidade dos dispositivos. Como fatores de inovação, optou-se pela definição de uma política de sensoriamento por clusters que permite realizar uma aprendizagem cooperativa por reforço da situação dos canais de operação. Além disso, a definição de um mecanismo de acesso dinâmico aos canais fundamentado no padrão IEEE 802.15.4 permite comunicação e coordenação distribuída de forma assíncrona. O funcionamento da metodologia proposta é avaliado e comparado usando simulações e experimentos mediante um estudo de caso específico. As comparações são realizadas com métodos de seleção de canal: fixa, cega ou baseada em recompensas por acesso. Os resultados mostram a eficiência no acesso dinâmico aos canais com aumentos na taxa de entrega de mensagens e na capacidade de coexistir com as redes primárias. / The efficiency improvement of the use of radiofrequency spectrum is fundamental to allow more complex and more optimal wireless systems. The current channel allocation is static. It tolerates unbalanced use of the radiofrequency spectrum generating coexistence problems in some bands and underutilization of resources in other bands. The introduction of cognitive algorithms into wireless devices has been proposed to overcome that problem, in order to allow an additional dynamic allocation model. In this, the secondary users equipped with cognitive radios will be able to use dynamically the underutilized channels of primary users. A primary user has channel usage priority related to the static allocation, on the other hand, the use of the channel by any secondary user is opportunistic and limited to the inactivity time of the primary user in a specific place. Wireless sensor networks work in a competitive band. These systems can improve their performance using a dynamic access to the channels and consequently to enable the utilization of inactivity periods of primary users or to increase the coexistence capability at their current operation band. According to the researched literature, several challenges exist to find a distributed method for dynamic access to the channels considering the restrictions on control signaling, energy consumption and computational complexity of wireless sensor network devices. In this context, a methodology of sensing and dynamic access to the channels in a wireless sensor network considering the restrictions of the devices is proposed. As innovation, we opted for the definition of a sensing policy by clusters that allows the cooperative reinforcement learning of the situation of channels. In addition, a mechanism for dynamic access to the channels based on the IEEE 802.15.4 standard is defined to allow asynchronous and distributed coordination. The behavior of the proposed methodology is evaluated and compared using simulations and experiments through a specific case study. The comparisons are performed with channel selection methods: fixed, blind and access based. The results show good efficiency in the dynamic allocation of the channels, increasing the message delivery rate and the coexistence capability.

<p>U disertaciji je opisan namenski projektovan bežični senzorski čvor namenjen za praćenje parametara životne sredine. Razvijeno rešenje se odlikuje malom cenom i dimenzijama, širokom primenom i minimalnim utocajem na životnu sredinu u poređenju sa primerima iz literature. Koristi se prikupljanje energije sunca iz okoline i superkondenzator za napajanje, što utiče na povećanje životnog veka i smanjivanje troškova održavanja. Izvršena testiranja su potvrdila funkcionalnost predloženog rešenja i mogućnost praćenja različitih parametara korišćenjem komercijalnih i namenski projektovanih senzora. Unapređeno, modularno, rešenje rešava uočena ograničenja i povećava broj parametara životne sredine koji se mogu pratiti.</p> / <p>The dissertation describes a specially designed WSN node for application in<br />environmental monitoring. The developed solution is characterized by low price and<br />dimensions, wide application and minimal environmental impact compared to<br />example in literature. Solar energy harvesting and supercapacitor are used as power<br />supply, which increase node lifetime and reduce maintenance costs. The performed<br />tests confirmed the functionality of the proposed solution and the ability to monitor<br />various environmental parameters using commercial and specially designed sensors.<br />The new enhanced solution, with modular design, solves the observed limitations and<br />increases the number of environment parameters that can be monitored.</p>

De nouveaux protocoles ont été standardisés afin d'intégrer les réseaux de capteurs sans fil (WSN) dans l'Internet. Parmi eux, RPL pour la couche routage et IEEE 802.15.4 pour la couche MAC. L'objectif de cette thèse est d'améliorer ces protocoles en prenant compte des contraintes énergétiques des dispositifs du WSN. Tout d'abord, nous avons conçu une nouvelle méthode de diffusion dans la norme IEEE 802.15.4, afin d'assurer une livraison fiable des paquets de contrôle des couches supérieures. Ensuite, nous avons fourni une évaluation exhaustive de RPL, en soulignant un problème d'instabilité qui génère une surcharge d'énergie importante. Compte tenu que la durée de vie des WSN est très limitée, nous avons aussi proposé une nouvelle métrique de routage qui identifie les goulets d'étranglement énergétiques afin de maximiser la durée de vie du réseau. Enfin, en couplant cette mesure avec une version multiparent de RPL, nous avons résolu le problème d'instabilité souligné précédemment. / New protocols have been standardized in order to integrate Wireless Sensor Networks (WSN) in the Internet. Among them, the IEEE 802.15.4 MAC layer protocol, and RPL, the IPv6 Routing Protocol for Low-power and Lossy Networks. The goal of this thesis is to improve these protocols, considering the energy constraints of the devices that compose the WSN. First, we proposed a new MAC layer broadcast mechanism in IEEE 802.15.4, to ensure a reliable delivery of the control packets from the upper layers (especially from RPL). Then, we provided an exhaustive evaluation of RPL and highlighted an instability problem. This instability generates a large overhead, consuming a lot of energy. Since the lifetime of WSN is very limited, we proposed a new routing metric that identifies the energy bottlenecks and maximizes the lifetime of the network. Finally, by coupling this metric with a multipath version of RPL, we are able to solve the instability problem previously highlighted.

Orientador: José Alfredo Covolan Ulson / Banca: Rogério Andrade Flauzino / Banca: Mario Eduardo Bordon / Resumo: O sistema de distribuiçã de energia elétrica no Brasil é constituído, na grande maioria, de alimentadores aéreos na classe 15 kV sujeitos a muitos tipos de defeitos. Embora existam muitos trabalhos propondo técnicas para a identificação e a localização das faltas, a maioria deles foi desenvolvida objetivando as redes de transmissão pouco ramificadas. Em se tratando de redes muito ramificadas e extensas, características princiapais de redes de distribuição elétrica, esses métodos não apresentam alta confiabilidade e segurança em termos de detecção, dificultando a localização das faltas. Este trabalho tem como objetivo descrever o desenvolvimento de um sistema de medição de baixo custo voltado para a monitoração de alimentadores aéreosm de distribuição de energia elétrica, que possibilite a identificação e a localização de faltas bem como a avaliação da qualidade da energia elétrica fornecida. Para tal, uma rede de sensores sem fio no padrão IEEE 802.15.4 é utilizada para adquirir os dados de tensão e corrente de cada frase e, a partir do processamento dessas informações, possibilitar a identificação de um ramal sob falta e a determinação do seu tipo. Com a instação de mediadores em pontos onde a rede de distribuição se ramifica, o ramal sob falta pode ser localizado, reduzindo assim o tempo de desligamento e os custos de manutenção / Abstract: The system of eletrecity distribution in Brazil is made mostly of air handlers in the class 15 kV, subject to many kinds of defects. Although there are many papers proposing techniques for the identification and location of faults, most of them were developed aiming at the broadcast networks little branched. In terms of networks very extensive and branched, like in distribution networks, these methods have low reliability and safety in terms of detection, makind the location of faults difficult. This paper aims to describe the development of a measurment system focused on low-cost monitoring of overhead distribution feeders of electricity, allowing for the identification and location of faults and the quality of power supplied. For this purpose, a network of wireless sensors on the IEEE 208.15.4 is used for data acquisition of each phase voltage and current and from the processing of such information is possible to determine a faulted extension and identification of its type. With the installation of meters at points where the distribution networks branches, the faulted extension can be located, thereby reducing the shutdown time and maintenance costs / Mestre

Avec l'émergence des nouvelles technologies, les communications sans fil n'ont cessé de croître afin de permettre aux utilisateurs un accès à l'information et aux services électroniques, et ceci indépendamment de leur position géographique. Les réseaux sans fil ont aussi trouvé leur place pour des applications spécifiques telles que les transmissions radio utilisées pour l'interconnexion de capteurs. Ce type de réseau peut être considéré comme un sous-ensemble des réseaux ad hoc. Des contraintes spécifiques s'appliquent alors aux utilisateurs de ces réseaux, telles que la difficulté d'accès pour la maintenance, les problèmes liés à la miniaturisation et au nombre élevé de capteurs. L'objectif de cette thèse est d'étudier les contraintes énergétiques liées à l'utilisation des batteries à capacité limitée pour l'alimentation des capteurs. Pour atteindre cet objectif, nous avons proposé de représenter les réseaux de capteurs à travers une image à échelle de gris : les zones claires correspondant aux zones riches en énergie, alors que les zones sombres représentent des régions avec une capacité énergétique faible. Des filtres issus du monde de traitement d'image sont alors appliqués à cette image représentant l'énergie. Ainsi, nous proposons des filtres de convolution de type Sobel ou de type filtre moyen pour nos algorithmes de routage et nous construisons une matrice énergétique pour chaque capteur. Cette matrice est alors utilisée avec le produit de convolution pour guider le routage. Les différents algorithmes proposés font ensuite l'objet de simulations avec le simulateur de réseaux OMNeT++. / With the emergence of new technologies, wireless communications have been developed in order to allow users an access to information and to electronic services, independently of their geographical position. Wireless networks have also been developed for specific applications such as radio transmissions used for interconnection of sensors. This type of network can be considered as a subset of ad hoc networks. On other side, this implies specific constraints on users, such as the problem of the access for maintenance, the problems of miniaturization, and the large number of sensors. The objective of this thesis is to focus on energy constraints related to the use of batteries with limited capacity for the supply of sensors. In our work, we propose routing algorithms to route information while controlling energy consumption. To achieve this goal, we have represented the sensor network as a grayscale image: light areas represent regions rich in energy, whereas dark areas represent regions with low energy capacity. Filters used in image processing are then applied to the image representing the energy. Thus, we propose convolution filters like Sobel or mean filter in our routing algorithms and we construct an energy matrix for each sensor. This matrix will be used with the convolution to find the best path. The proposed algorithms are verified by simulations performed with the network simulator OMNeT++.