Zigbee is a relatively new wireless mesh networking standard with emphasis on low cost and energy conservation. It is intended to be used in wireless monitoring and control applications such as sensors and remotely operated switches where the end devices are battery powered. Because it is a recent technology there is not sufficient understanding on how network architecture and configuration affect power consumption of the battery powered devices. This research investigates the power consumption and delivery ratio of Zigbee wireless mesh and star networks for a single sink real time monitoring system at varying traffic rates and the beacon and non beacon mode operation of its underlying standard IEEE 802.15.4 in the star network architecture. To evaluate the performance of Zigbee, the network operation was simulated using the simulation tool NS-2. NS-2 is capable of simulating the entire network operation including traffic generation and energy consumption of each node in the network. After first running the simulation it was obvious that there were problems in the configuration of the simulator as well as some unexpected behaviour. After performing several modifications to the simulator the results improved significantly. To validate the operation of the simulator and to give insight on the operation of Zigbee, a real Zigbee wireless network was constructed and the same experiments that were conducted on the simulator were repeated on the Zigbee network. The research showed that the modified simulator produced good results that were close to the experimental results. It was found that the non beacon mode of operation had the lowest power consumption and best delivery ratio at all tested traffic rates. The operation of Zigbee mesh and star networks were compared to the results for IEEE 802.15.4 star networks in non beacon mode which revealed that the extra routing traffic sent by the Zigbee networking layers does contribute significantly to the power consumption, however even with the extra routing traffic, power consumption is still so low that it the battery life of the device would be limited by the shelf life of the battery, not by the energy consumption of the device. This research has successfully achieved its objectives and identified areas for future development. The simulator model for NS-2 could be improved to further increase the accuracy of the results as well as include the Zigbee routing layers and the experimental results could be improved by a more accurate power consumption data acquisition method.

Zigbee is a relatively new wireless mesh networking standard with emphasis on low cost and energy conservation. It is intended to be used in wireless monitoring and control applications such as sensors and remotely operated switches where the end devices are battery powered. Because it is a recent technology there is not sufficient understanding on how network architecture and configuration affect power consumption of the battery powered devices. This research investigates the power consumption and delivery ratio of Zigbee wireless mesh and star networks for a single sink real time monitoring system at varying traffic rates and the beacon and non beacon mode operation of its underlying standard IEEE 802.15.4 in the star network architecture. To evaluate the performance of Zigbee, the network operation was simulated using the simulation tool NS-2. NS-2 is capable of simulating the entire network operation including traffic generation and energy consumption of each node in the network. After first running the simulation it was obvious that there were problems in the configuration of the simulator as well as some unexpected behaviour. After performing several modifications to the simulator the results improved significantly. To validate the operation of the simulator and to give insight on the operation of Zigbee, a real Zigbee wireless network was constructed and the same experiments that were conducted on the simulator were repeated on the Zigbee network. The research showed that the modified simulator produced good results that were close to the experimental results. It was found that the non beacon mode of operation had the lowest power consumption and best delivery ratio at all tested traffic rates. The operation of Zigbee mesh and star networks were compared to the results for IEEE 802.15.4 star networks in non beacon mode which revealed that the extra routing traffic sent by the Zigbee networking layers does contribute significantly to the power consumption, however even with the extra routing traffic, power consumption is still so low that it the battery life of the device would be limited by the shelf life of the battery, not by the energy consumption of the device. This research has successfully achieved its objectives and identified areas for future development. The simulator model for NS-2 could be improved to further increase the accuracy of the results as well as include the Zigbee routing layers and the experimental results could be improved by a more accurate power consumption data acquisition method.

Αντικείμενο της διπλωματικής αυτής εργασίας είναι η μελέτη ενός ZigBee ασύρματου δικτύου βιοαισθητήρων και η δυνατότητα διασύνδεσης του με μεγαλύτερα δίκτυα όπως το Ίντερνετ. Αρχικά γίνεται μια αναφορά στην χρησιμοποίηση δικτύων τηλεϊατρικής, στη σπουδαιότητά τους για τον άνθρωπο καθώς και σε ολοκληρωμένες λύσεις που έχουν προταθεί. Έπειτα παρουσιάζονται και περιγράφονται βιοαισθητήρες που χρησιμοποιούνται σε ένα WBAN όπως και η λειτουργία τους. Στη συνέχεια γίνεται εκτεταμένη ανάλυση όλων των επιπέδων του πρωτοκόλλου Zigbee/802.15.4 στοχεύοντας πιο συγκεκριμένα στη ζώνη μετάδοσης των 2,4 GHz και το πως αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί κρατώντας υψηλό το QOS , απαραίτητη προϋπόθεση ενός δικτύου τηλεϊατρικής . Τέλος μελετώνται οι πιθανοί τρόποι διασύνδεσης δικτύων αισθητήρων και γίνεται προσομοίωση ενός TCP/IP δικτύου στο οποίο καταλήγουν τα δεδομένα τα οποία συγκεντρώνονται από μια σειρά αισθητήρων με σκοπό τη μελέτη της δυνατότητας χρήσης ενός τέτοιου συστήματος. / Subject of this diploma work is to study a ZigBee wireless biosensor network and connectivity with other networks like the internet. Initially is made a reference to the use of telemedicine networks, the importance for man as well as integrated solutions that have been proposed. Then there are presented and described biosensors used in a WBAN as their function. Then is made an analysis of all levels of the protocol Zigbee/802.15.4 targeting the particular zone of 2,4 GHz and how it can be used while holding a high QOS. Finally are examined possible ways of interconnecting networks of sensors and is made a simulation of a TCP / IP where the collected data from the sensors end.

Ένα rover όπως το Sojourner είναι, ή τουλάχιστον περιέχει μέσα του, ένα ενσωματωμένο σύτημα. Με τον όρο ενσωματωμένο σύστημα εννοούμε κάθε υπολογιστικό σύστημα το οποίο είναι σχεδιασμένο να εκτελεί συγκεκριμένες λειτουργίες για τον έλεγχο ενός μεγαλύτερου και ευρύτερου συστήματος. Πρόκειται λοιπόν για ένα σύστημα που εξυπηρετεί έναν εξειδικευμένο σκοπό σε αντίθεση π.χ. με τους προσωπικούς υπολογιστές, που είναι γενικού σκοπού. Ένα τέτοιο ενσωματωμένο σύστημα επιχειρήσαμε να κατασκευάσουμε στα πλαίσια αυτής της διπλωματικής εργασίας, για να μπορέσουμε να ελέγξουμε ένα δικό μας όχημα. Το όχημα μας και το γενικότερο θέμα της διπλωματικής έχει ως πρότυπο το Sojourner, το πρώτο όχημα που κινήθηκε στην επιφάνεια του Άρη, και στο βαθμό που είναι εφικτό θα το αναπαράγουμε. Σε αυτό το σημείο είναι καλό να επισημάνουμε ότι παρά την ιδιαίτερη πηγή έμπνευσης αυτής της εργασίας, οι εφαρμογές που έχει ένα rover δεν περιορίζονται στη πλανητική εξερεύνηση. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε κάθε περίπτωση όπου η πρόσβαση για τον άνθρωπο είναι δύσκολη ή επικίνδυνη. Ένα κατάλληλα εξοπλισμένο rover για παράδειγμα μπορεί να αντικασταστήσει τα μάτια και τα χέρια του ανθρώπου στο εσωτρικό ενός πυρηνικού αντιδραστήρα ή ενός ηφαιστείου, όπου οι συνθήκες καθιστούν την ανθρώπινη παρουσία αδύνατη. Μια άλλη περίπτωση όπου ένα rover είναι χρήσιμο πάνως στη γη είναι σε αποστολές διάσωσης ανθρώπων σε συντρίμια κτηρίων όπου η απόκτηση εικόνας είναι δύσκολη. Εκτός αυτού οι δομές που θα υλοποιήσουμε και το hardware που θα χρησιμοποιήσουμε, είναι βασικές για κάθε ενσωματωμένο σύστημα. Οπότε πολλά επιμέρους κομμάτια της εργασίας έχουν αξία αφ’εαυτού τους. Για παράδειγμα η υλοποίηση ενός συστήματος ασύρματης επικοινωνίας έχει ευρύτατες εφαρμογές σήμερα. Το ίδιο ισχύει και για ένα λειτουργικό συστήμα που θα καλύπτει real time περιορισμούς, κάτι απαραίτητο για τη πλειοψηφία των ενσωματωμένων συστημάτων. Από αυτά γίνεται αντιληπτή η σημασία που έχει ο σχεδιασμός και η κατασκευή του οχήματος μας. Οι δυνατότητες που θέλουμε να έχει το δικό μας όχημα κινούνται στα 5 σημεία που αναφέραμε ότι είναι κοινά σε όλα τα rovers. Φυσικά κάποια στοιχεία όπως εξειδικευμένα επιστημονικά εργαλεία, τα οποία συλλέγουν δείγματα, δεν θα ενσωματωθούν. Δεν θα ενσωματωθούν ούτε μηχανισμοί προστασίας, προφανώς, από τις δύσκολες συνθήκες ( ακραίες θερμοκρασίες, ακτινοβολία ) που επικρατούν στο διάστημα και σε ξένους πλανήτες. Επίσης αν και θα προστεθεί ένας μηχανισμός ανίχνευσης εμποδίων, ώστε το σύστημα να γίνει αυτόνομο, δεν θα γίνει καμία αναφορά σε αυτό, στο παρών έγγραφο, καθώς αποτελεί αντικείμενο του δευτέρου μέρους αυτού του εγχειρήματος και κομμάτι άλλης διπλωματικής εργασίας. Ο στόχος λοιπόν αυτής της διπλωματικής είναι να κατασκευαστεί το όχημα με μία βασική λειτουργικότητα. Αυτό πρακτικά σημαίνει ότι θα χρειαστεί, πρώτον να δημιουργήσουμε ή να προμηθευτούμε τα μηχανικά μέρη που θα αποτελέσουν το σκελετό του οχήματος και να τον συνθέσουμε και δεύτερον να επιλεγεί το hardware που θα με το σωστό προγραμματισμό θα δίνει στο όχημα μας τις δυνατότητες που θέλουμε. Θα χρειαστεί δηλαδή να σχεδιάσουμε ένα βασικό λειτουργικό σύστημα που θα καλύπτει τις όποιες ανάγκες και περιορισμούς μας. Στο τέλος θα έχουμε ένα όχημα το οποίο θα μπορούμε να ελέγχουμε ασύρματα από έναν υπολογιστή. Το όχημα αυτό θα έχει τις βάσεις, είτε όσον αφορά το hardware, είτε όσον αφορά το software, ώστε να είναι δυνατή η προσθήκη επιπλέον υλικού, εξαρτημάτων και υπολογιστικών διεργασιών. / The aim of this diploma thesis is the creation of embedded system based on a 8086 microprocessor for the purpose of operating a vehicle and remotely controlling it through ZigBee PRO network.

Στόχος αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η κατασκευή και ο έλεγχος μιας ομάδας αυτόνομων και συνεργαζόμενων κινούμενων ρομπότ τα οποία θα είναι σε θέση να δημιουργήσουν ένα σύστημα επικοινωνίας με μεταβλητή εμβέλεια, κάνοντας χρήση των ίδιων των ρομπότ ως αναμεταδότες πληροφορίας. Τα δύο ρομπότ εκκινούν ως ένα και στη συνέχεια αποδεσμεύονται και ακολουθούν μια τροχιά σε σχηματισμό Leader-follower. Για την επίτευξη του στόχου αυτού κατασκευάστηκαν 2 όμοια μη ολονομικά οχήματα (ref μανεσης) με δύο κινητήριους και έναν παθητικό περιστρεφόμενο τροχούς (εικόνα) και υλοποιήθηκε αλγόριθμος μη γραμμικού ελέγχου των κινούμενων οχημάτων. Για την ασύρματη επικοινωνία μεταξύ των κόμβων του ηλεκτρονικού υπολογιστή και των 2 ρομπότ κατασκευάστηκε ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα μετάδοσης της πληροφορίας και προγραμματίστηκε για χρήση με το πρωτόκολλο ZigBee Pro. Στο κεφάλαιο 1 παρατίθεται ένα εισαγωγικό κείμενο πάνω στις τεχνολογίες που χρησιμοποιήθηκαν για την παρούσα διπλωματική εργασία μαζί με μια περιορισμένη βιβλιογραφική ανασκόπηση. Στο κεφάλαιο 2 δίνεται η περιγραφή της πλατφόρμας Lego Mindstorms NXT που χρησιμοποιήθηκε για την κατασκευή των κινούμενων ρομπότ. Επίσης περιγράφεται η κατασκευή των ρομπότ, η διαδικασία απόσπασης των δύο μελών της ομάδας και δίνεται το κινοδυναμικό μοντέλο τους. Στο κεφάλαιο 3 γίνεται αναφορά στην ασύρματη δικτυακή επέκταση της πλατφόρμας Lego Mindstorms NXT. Αναφέρεται ο σχεδιασμός του PCB στο οποίο ενσωματώνεται η πλατφόρμα ασύρματης επικοινωνίας (Jennic 5148), η δικτύωση του PCB για την επικοινωνία του με το Lego μέσω πρωτοκόλλου I2C καθώς και πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της πλατφόρμας ασύρματης επικοινωνίας. Στο κεφάλαιο 4 παρουσιάζεται ο έλεγχος των συνεργαζόμενων δικτυωμένων ρομποτικών οχημάτων και δίνονται η περιγραφή του σεναρίου που υλοποιήθηκε, οι νόμοι ελέγχου και τα πειραματικά αποτελέσματα. Στο κεφάλαιο 5 βρίσκονται τα συμπεράσματα από το πείραμα μαζί με προτάσεις για μελλοντικές βελτιώσεις της διάταξης και χρήσης της ως εκπαιδευτικό μέσο για την εξοικείωση των φοιτητών με multi-agent προβλήματα ρομποτικής. Το κεφάλαιο 6 είναι η βιβλιογραφία, ενώ τα παραρτήματα Α και Β περιέχουν τον πηγαίο κώδικα σε C και LabView και τα schematics των PCBs. / Creation of non holonomic moving robots using Lego Mindstorms NXT, control and cooperation of two of those roobots and development of a wireless communication platform for the establishment of robotic networks.

The wish to measure different environmental parameters, in for example office buildings, is getting more and more important in today’s society. Since the sensors should be easily deployed they need to be battery powered and communicate wireless. Furthermore the radio range must be extended because of the limited range on the free frequencies. This is where wireless sensor networks come in and extend the range by relaying the data through other nodes in the network, thereby extending the total range of the network. The purpose of this thesis work is to develop a protocol for such a wireless sensor network, capable of delivering and relaying sensor data through the nodes of the network. The protocol has been implemented in hardware also designed in this thesis. Tests of the network have been performed and the results have shown that the network works very well and fulfills all of the requirements. Furthermore the power consumption is only 15% of the required value. This thesis has produced a very good platform to use as a base for further development of a commercial product.

Wireless local area networks (WLANs) and wireless sensor networks (WSNs) technologies have been comprehensively developed and deployed during recent years. Since commercial WLAN and WSN products share the same free of license frequency band, the low power, low rate ZigBee based WSNs are vulnerable to the interference from Wi-Fi WLANs. Therefore, it is important to evaluate the performance of ZigBee WSNs that are subjected to interference generated by collocated Wi-Fi WLANs and to design effective counter-measuring techniques should performance improvement is needed. In this research, a versatile testbed for conducting various experiments is established and the ZigBee system’s performance with different clear channel assessment (CCA) modes and energy detection (ED) thresholds are evaluated through extensive experimental measurements in the testbed. It can be concluded from the results that CCA has significant impact on ZigBee’s performance. An existing theoretical analysis approach that is based on the collision time model between ZigBee and Wi-Fi packets is suitably modified to provide analytical evaluation means of the cases we examined. In order to mitigate the interference from the collocated Wi-Fi system, a novel and effective interference-aware adaptive CCA (IAACCA) scheme is proposed and implemented as firmware flashed into Crossbow motes. Experiments confirmed the ability of IAACCA to countermeasure effectively interference generated by Wi-Fi and thus improve the performance of ZigBee WSNs. Finally, a thorough statistical analysis is performed to understand the factors impacting the performance of ZigBee system and is used to further verify our experimental methods.

Los sistemas de monitoreo inalámbricos de bajo costo han adquirido gran relevancia actualmente. Esto gracias a los avances tecnológicos en modulación digital y a las necesidades de la industria en adquisición de datos en línea. Una red de sensores inalámbrica se perfila como una potente herramienta integral para la gestión de procesos. Permite la medición de variables relevantes en tiempo real para la toma de decisiones. Estas redes surgen de la interconexión de nodos autónomos. Se caracterizan por el bajo consumo de energía eléctrica por nodo, lo que permite implementarlas en zonas que cubren superficies extensas siendo demandadas en esta fecha por la industria minera y la agrícola. El objetivo de esta memoria de título es el diseño y la implementación de una red de sensores inalámbrica. Está basada en la tecnología ZigBee y en el estándar IEEE 802.15.4. Apunta principalmente a la industria de la minería. Se requiere que los datos adquiridos por distintos sensores distribuidos en la mina se obtengan en tiempo real. A su vez que se concentren en la oficina de monitoreo. Estos datos son utilizados para tomar decisiones oportunamente. De esta forma se puede mejorar la producción, evitar accidentes, observar el comportamiento del terreno explotado, etc. En el desarrollo del trabajo se realizaron pruebas de conexión y configuración. Tanto entre los nodos que constituyen la red, como entre los dispositivos ubicados en los mismos nodos. Metodológicamente las pruebas fueron efectuadas considerando las distintas partes de la red como bloques funcionales, facilitando de esta manera la detección de eventuales fallas de manera precisa. Se concluye que las redes de sensores inalámbricas con topología enmallada presentan mayores ventajas frente a las de tipo árbol o estrella. Entre éstas destacan: un alto grado de robustez frente a interferencias; su flexibilidad ante la integración de nuevos nodos; su escalabilidad; y confiabilidad. El tipo de sensores disponibles en el mercado que pueden ser conectados a un nodo siguiendo el estándar Zigbee se ha incrementado. Por lo que es posible en la actualidad configurar estas redes en variados tipos de industrias, permitiendo sin grandes inversiones controlar los procesos productivos.

This thesis deals with design and implementation of wireless system for automated control and monitoring of central heating. Some of the existing solutions and their characteristics are briefly introduced at first. The attention in this thesis is subsequently given to the analysis of wireless technologies and power supply methods suitable for home automation. With regard to ascertained findings, the design and subsequent implementation of system modules using Raspberry Pi, the ARM Cortex-M0+ microcontroller and the ZigBee communication modules were performed. The firmware for created modules was designed and implemented. The designed system can be controlled and monitored using a mobile application for the Android platform, whose design is also described in this thesis.

This thesis deals with the use of spatial awareness methods within technologies designed for creation of short-range wireless sensor networks. The thesis analyzes several techniques that can be used to estimate position of objects within the sensor network. For a practical solution, a method based on measuring the time differences of the sent messages was chosen. A circuit implementation of a network node based on the DW1000 chip, which works on ultra-wideband transmission technology, was implemented. A sensor network with the appropriate user application for its operation and display of localization results was also implemented.