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).

Determinar quais são os aparelhos eletrônicos de uma residência que possuem maior influência na conta de luz não é tarefa trivial. As Redes de Sensores Sem Fios (RSSF) auxiliam os usuários nessa tarefa, permitindo descobrir se há algum tipo de desperdício no ambiente monitorado e assim, auxiliá-los a fazer as devidas correções. Por isso, é fundamental usar nas smart grids métodos que detectam novidades, também conhecido como anomalias , de forma individual e autônoma, para os usuários quando algo anômalo surge no consumo de energia dos equipamentos eletrônicos. Tais anomalias podem surgir, por exemplo, quando um equipamento consome energia acima do esperado, o que pode indicar um defeito. Nesse contexto, este trabalho propõe um método inteligente, nomeado como Novelty Detection Power Meter (NodePM), para detectar as novidades no consumo de energia dos equipamentos eletrônicos monitorados por uma smart grid. O NodePM detecta as novidades considerando a entropia de cada equipamento monitorado, a qual é calculada com base em um modelo de cadeia de markov que é gerado através de um algoritmo de aprendizado de máquina. Para tanto, o NodePM é integrado a uma plataforma de monitoramento remoto de consumo de energia, que consiste de uma RSSF associada a uma aplicação em nuvem. Para validar o desempenho do NodePM foram feitos experimentos utilizando a análise de variância e testes paramétricos e não-paramétricos. Os resultados de tais experimentos, obtidos mediante a análise estatística, evidenciou a viabilidade do NodePM na plataforma desenvolvida / It is not a simple task to determine which pieces of elevtronic equipment have the greatest influence on the electricity bill. The Wireless Sensor Networks (WSN) assist users in this task, allowing to discover if there is any type of a waste in a monitored environment and thus, help them to take proper actions. Hence, it is of crucial importance to use intelligent methods in the smart grids for a novelty detection and to inform the users in an individual and autonomous way when some anomaly has occurred in the energy consumption of electronic equipment. These anomalies can arise, for instance, when a piece of equipment consumes more energy than expected. In this context, we propose an intelligent method, named the Novelty Detection Power Meter (NodePM), to detect the novelties in the energy consumption of electonic equipment monitored by a smart grid. The NodePM detects the novelties considering the entropy of each device monitored, which is calculed based on a Markov chain model that is generated through a machine learning algorithm. For this end, the NodePM is integrated into a platform for the remote monitoring of energy consumption, which consists of a WSN associated with a cloud application. To validate the performance of the NodePM, experiments were done using analysis of variance and parametric and non-parametric tests. The result of these tests, which were obtained from a statistical analysis, provided evidence of the feasibility of the NodePM in the platform that was developed

A área automotiva cada vez mais incorpora dispositivos e sistemas eletromecânicos na comunicação. Estes dispositivos são baseados nas informações internas e externas coletadas através de sensores específicos. Esta estrutura permite, por exemplo, a automatização de sistemas de transporte em ambientes controlados, monitoramento de veículos, informações de condições de trânsito e outros. Os protocolos de comunicação são fundamentais na troca de dados entre os módulos eletrônicos e certamente, se não fosse pela aplicação desses protocolos, não teríamos a integração de boa parte dos sistemas eletrônicos atualmente disponíveis. A integração dos sistemas de comunicação automotivos através de uma rede de sensores sem fio (RSSF) baseada nas especificações do padrão IEEE 802.15.4 ZigBee, constitui uma alternativa de comunicação nos ambientes automotivos. Além disso, esta integração em ambientes automotivos diminui a quantidade de fiação nos veículos. Neste trabalho apresentamos uma rede de sensores tipo estrela para a aquisição dos dados em um ambiente automotivo, realizando medições de intensidade do sinal, qualidade do sinal, throughput, pacotes perdidos. / The automotive area is including more and more devices and electromechanical systems at communication. Those devices are based in internal and external information collected through specific sensors. This structure allows, for example, automation of transport systems at controlled environments, vehicles monitoring, information of transit conditions and other. The communication protocols are fundamentals in data exchange between electronic modules and without those protocols, couldnt be possible integrate a majority of available electronic systems. The integration of automotive communication systems through wireless sensor network (WSN) based in the specifications of the standard IEEE 802.15.4 ZigBee constitute an alternative of communication in automotive environments. Besides, this integration in automotive environments reduces the quantity of wires in the vehicles. In this work we present a WSN star topology for data acquisition in automotive environment performing measurements of signal intensity, quality of signal, throughput, and lost packages.

O crescente interesse pela caracterização de parâmetros acústicos marinhos esbarra nos poucos dispositivos eletrônicos que permitem capturar, armazenar, processar e difundir dados. Os equipamentos atuais que possibilitam obter dados referentes à vida marinha e permitem estudar as influências humanas sobre ela possuem alto custo e funcionam de forma isolada, ou seja, normalmente não há comunicação com outros dispositivos, o que dificulta a monitorização de eventos em tempo real. Sendo assim, neste trabalho são revisadas as características necessárias para estabelecer uma rede de sensores sem fio (RSSF) de alta confiabilidade, utilizando-se o conceito de Internet das Coisas (IoT). São comparados os protocolos MQTT-SN e CoAP com ferramentas de simulação e implementada uma rede de sensoriamento acústico aquático constituída de três nós sensores autônomos e um gateway usando o protocolo 6LowPAN. Também é implementada a tradução para o protocolo IPV4 no gateway, de modo que o funcionamento da rede de sensores pode ser monitorada num servidor remoto na Internet em tempo real. O desempenho da rede é avaliado com relação à autonomia energética, capacidade de memória, alcance e confiabilidade na entrega dos dados. As unidades autônomas desenvolvidas podem operar ininterruptamente, com uso de baterias, por aproximadamente 125 horas com memória de gravação de 48GB e alcance de 100m aproximadamente. Por fim, é implementado o pré-processamento dos dados sonoros visando a detecção de eventos acústicos aquáticos. / The increasing interest in the characterization of marine acoustic parameters needs electronic devices that allow capture, store, process, and diffuse data. Current equipment that provides data about the marine life and allow the study of human influences on it have high cost and work isolated, that is, without communication with other devices, which makes it difficult to monitor events in real time. Therefore, this work revises the necessary features to establish a high reliability wireless sensor network (WSN) by applying the concept of Internet of Things (IoT). The protocols MQTT-SN and CoAP are compared with simulation tools and a network is implemented to sense acoustic signals, composed by three autonomous sensor nodes and a gateway using the protocol 6LowPAN. The translation for the IPV4 protocol in the gateway is also implemented, so the operation of the sensor network can be monitored by a remote server on the Internet in real time. The performance of the network is evaluated in relation to power autonomy, memory capacity, reach and reliability. The autonomous sensor nodes can operate uninterrupted, with use of batteries, for approximately 125 hours with 48GB storage for recording and approximately 100m range. Finally, data pre-processing is implemented in order to detect aquatic acoustic events.

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.

Les réseaux de capteurs sans fils sont de plus en plus utilisés dans des applications de surveillance de grands systèmes (feux de forêt, gaz dans les galeries minières, éthologie, ...). Une caractéristique de ces applications est que la topologie du réseau va être dynamique : soit les capteurs sont géographiquement mobiles (dispersion d'une nappe de pétrole), soit les conditions environnementales évoluent et modifient les capacités de communication des capteurs entre eux. Aussi, d'un système connexe, on peut évoluer vers un système clustérisé qui présente une rupture de la connectivité globale, et donc du système d'information. Une solution consiste à utiliser un (ou des) collecteur(s) des mesures (par exemple un robot mobile) qui va rétablir une connectivité discrète pour reconstituer à des échéances fixes un système d'information cohérent. Nous avons proposé un algorithme de clustering du réseau de capteurs sans fils adapté à la dynamique de sa topologie. La métrique choisie prend en compte la densité et la mobilité des noeuds, ainsi que leur énergie résiduelle. Ensuite, nous avons conçu un protocole de couche session permettant au collecteur de reconstruire le contexte de communication avec les clusters précédemment visités, sachant qu'ils ont pu évoluer en nombre, dispersion, fusion, ... Pour ce faire, il faut générer dynamiquement une trajectoire optimale du collecteur, en se basant sur un modèle d'estimation de la topologie, en prenant en compte les exigences applicatives (fréquence et volume des informations remontées). Pour la validation de l'algorithme de clustering et du protocole de couche session proposés, nous avons défini un modèle de noeud capteur que nous avons intégré à l'environnement de simulation Opnet / Wireless sensor networks are increasingly used in applications for monitoring large systems (forest fires, gas in the mine galleries, ethology, ...). A characteristic of these applications is that the topology of the network will be dynamic, either the sensors are geographically mobile (dispersion of an oil slick) or environmental conditions change and modify the communication capabilities of these sensors. Also, from a connex system, we can move to a clustered system that presents a discontinuity of the global connectivity, and therefore of the information system. One solution is to use one (or more) collector (s) that will restore a discrete connectivity at fixed deadlines to reconstruct a coherent information system. We have proposed a clustering algorithm of the wireless sensor network which is adapted to the dynamics of its topology. The chosen metric takes into account the density and the mobility of nodes and their remaining energy. Then we designed a session-layer protocol allowing the collector to reconstruct the context of communication with the previously visited clusters, knowing that they have evolved in number, splitting, merging, ... To do this, it is necessary to dynamically generate the trajectory of the collector, on the basis of a model of the topology, taking into account the application requirements (frequency and volume of the collected information). For the validation of the proposed clustering algorithm and the session-layer protocol, we defined a sensor model we have integrated in the Opnet simulation environment

The function of wireless sensor networks is to monitor events or gather information and report the information to a sink node, a central location or a base station. It is a requirement that the information is transmitted through the network efficiently. Wireless communication is the main activity that consumes energy in wireless sensor networks through idle listening, overhearing, interference and collision. It becomes essential to limit energy usage while maintaining communication between the sensor nodes and the sink node as the nodes die after the battery has been exhausted. Thus, conserving energy in a wireless sensor network is of utmost importance. Numerous methods to decrease energy expenditure and extend the lifetime of the network have been proposed. Researchers have devised methods to efficiently utilise the limited energy available for wireless sensor networks by optimising the design parameters and protocols. Cross-layer optimisation is an approach that has been employed to improve wireless communication. The essence of cross-layer scheme is to optimise the exchange and control of data between two or more layers to improve efficiency. The number of transmissions is therefore a vital element in evaluating overall energy usage. In this dissertation, a Markov Chain model was employed to analyse the tuning of two layers of the protocol stack, namely the Physical Layer (PHY) and Media Access Control layer (MAC), to find possible energy gains. The study was conducted utilising the IEEE 802.11 channel, SensorMAC (SMAC) and Slotted-Aloha (S-Aloha) medium access protocols in a star topology Wireless Temperature Sensor Network (WTSN). The research explored the prospective energy gains that could be realised through optimizing the Forward Error Correction (FEC) rate. Different Reed Solomon codes were analysed to explore the effect of protocol tuning on energy efficiency, namely transmission power, modulation method, and channel access. The case where no FEC code was used and analysed as the control condition. A MATLAB simulation model was used to identify the statistics of collisions, overall packets transmitted, as well as the total number of slots used during the transmission phase. The bit error probability results computed analytically were utilised in the simulation model to measure the probability of successful transmitting data in the physical layer. The analytical values and the simulation results were compared to corroborate the correctness of the models. The results indicate that energy gains can be accomplished by the suggested layer tuning approach. / Electrical and Mining Engineering / M. Tech. (Electrical Engineering)

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.