Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, 2006. / Submitted by Diogo Trindade Fóis (diogo_fois@hotmail.com) on 2009-11-17T10:58:11Z No. of bitstreams: 1 2006_Eduardo Mamani Gutierrez.pdf: 2140460 bytes, checksum: 8af94173f95c917f7086012f756738a5 (MD5) / Approved for entry into archive by Tania Milca Carvalho Malheiros(tania@bce.unb.br) on 2009-11-17T12:36:38Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2006_Eduardo Mamani Gutierrez.pdf: 2140460 bytes, checksum: 8af94173f95c917f7086012f756738a5 (MD5) / Made available in DSpace on 2009-11-17T12:36:38Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2006_Eduardo Mamani Gutierrez.pdf: 2140460 bytes, checksum: 8af94173f95c917f7086012f756738a5 (MD5) Previous issue date: 2006-08-29 / O objetivo desta dissertação consiste no desenvolvimento de um protótipo de instrumentação biomédica, baseado na tecnologia de redes de sensores sem fio, para aquisição, transmissão e processamento simultâneos de sinais biomédicos. A instrumentação permite o acompanhamento clínico de pacientes por meio do monitoramento de sinais de eletrocardiograma, eletromiograma, temperatura cutânea, e resistência galvânica da pele; para este objetivo foram implementados circuitos eletrônicos. Os sinais registrados são transmitidos, via rádio freqüência, a um computador (servidor da rede de sensores), para fines de processamento e análise. Desta forma, exames clínicos rotineiros são realizados com funcionalidade e rapidez, proporcionando dados confiáveis e comodidade ao paciente. _______________________________________________________________________________________ ABSTRACT / The purpose of the work described herein is the development of a biomedical instrumentation prototype for simultaneous acquisition, transmission and processing of biomedical signals. The prototype, based on the wireless network sensors technology, allows clinical follow up of medical patients by monitoring a variety of biomedical signals, such as electrocardiogram, electromyogram, skin temperature and galvanic skin resistance signals. Once those signals have been acquired and stored, they are transmitted though radio frequency to a personal computer (network skin node) for subsequent processing and analyses. Routine clinical exams, therefore, can be performed in a quick and effective way, leading to boot reliable data and comfort to the patient.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, 2009. / Submitted by Allan Wanick Motta (allan_wanick@hotmail.com) on 2010-03-03T20:31:17Z No. of bitstreams: 1 2009_CarinoAndradeRodrigues.pdf: 1586656 bytes, checksum: e08e55b5294c9eacf56e1f878c21392f (MD5) / Approved for entry into archive by Daniel Ribeiro(daniel@bce.unb.br) on 2010-03-04T00:26:29Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2009_CarinoAndradeRodrigues.pdf: 1586656 bytes, checksum: e08e55b5294c9eacf56e1f878c21392f (MD5) / Made available in DSpace on 2010-03-04T00:26:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2009_CarinoAndradeRodrigues.pdf: 1586656 bytes, checksum: e08e55b5294c9eacf56e1f878c21392f (MD5) Previous issue date: 2009-07 / O padrão IEEE 802.16 de ne uma rede de acesso, local e metropolitana, de banda larga sem o conhecida como WiMAX (worldwide interoperability for microwave access ). A norma estabelece requisitos de qualidade de serviço para tráfego multimídia. Para atingir estes objetivos, a BS (base station) deve controlar as requisições de largura de banda das SSs (subscriber station ) utilizando uma estratégia de escalonamento. A técnica de escalonamento não é descrita na norma, permitindo aos fabricantes a implementação de um algoritmo próprio. Tendo em vista a grande capacidade da tecnologia OFDMA ( orthogonal frequency division multiple access ), os algoritmos de escalonamento devem estar adaptados para funcionar com uma camada física que utilize esta tecnologia. Este trabalho propõe uma nova estratégia de camada MAC (medium access control ), simples e e caz, para o tráfego de uplink no modo PMP (point-to-multipoint ), com suporte à camada física em WirelessMAN - OFDMA, utilizando o método PUSC (partial usage of subchannels ) para associação de subcanais. O comportamento da técnica foi testado utilizando-se o simulador NS-2 (Network Simulator 2), permitindo a veri cação da justa distribuição dos recursos da rede entre estações do mesmo tipo de tráfego e o atendimento a requisitos de qualidade de serviço entre os diferentes tipos de tráfego. Adicionalmente, veri cou-se a adaptabilidade da estratégia de escalonamento aos possíveis per s de transmissão de uma rede WiMAX. ________________________________________________________________________________________ ABSTRACT / The standard IEEE 802.16 de nes xed and mobile broadband wireless access systems for local and metropolitan area networks, also called WiMAX (worldwide interoperability for microwave access). The standard establishes requirements of quality of service for multimedia tra c. To achieve these objectives, the BS (base station) shall monitor the requests of bandwidth from the SS's (subscriber station) using a scheduling strategy. The technique of scheduling is not described in the standard, allowing manufacturers to implement an algorithm by themselves. Considering the large capacity and exibility of OFDMA (orthogonal frequency division multiple access), the scheduling algorithms must be adapted to work with a physical layer using this technology. This work proposes a new strategy for MAC (medium access control) layer, simple and objective, for uplink tra c on the PMP (point-to-multipoint) mode, supporting PHY WirelessMAN - OFDMA layer, using PUSC (partial usage of subchannels) method for assigning logical subchannels. The technique was simulated using the NS-2 (Network Simulator 2), allowing the veri cation of the fair distribution of network resources between the stations of the same tra c type and the achievement of quality of service requirements between di erent tra c types. Additionally, it was observed the adaptability of the scheduling strategy to possible transmission pro les of a WiMAX network.

Dois dispositivos de comunicação sem fio populares são considerados nesta pesquisa. Em primeiro lugar, o fone de ouvido que utiliza tecnologia Bluetooth, sendo um dos acessórios móveis mais econômicos do mercado e os óculos para dispositivos de comunicação que são uma representação da nova visão futurista. A absorção de ondas eletromagnéticas na cabeça humana durante um certo período de tempo, pode conduzir a problemas de saúde. A Taxa de Absorção Específica (SAR) foi simulada em quatro modelos diferentes para duas abordagens que realizam variações nos parâmetros dielétricos dos tecidos da cabeça. Estes resultados foram comparados com as recomendações internacionais (IEC 62209-2, 2010; ICNIRP, 2009; IEEE C95.1,2005; WHO, 2006; IEEE, 2002). O primeiro modelo utilizado foi o Manequim Antropomórfico Específico (SAM phantom), bem como três modelos realistas de cabeça humana (ou seja, um adulto de 34 anos e duas crianças de 10 e 6 anos). As simulações foram executadas utilizando o método de diferenças finitas (FDTD) e a frequência usada para alimentar as antenas foi de 2,45 GHz. Além disso foram feitas medidas experimentais de potência transmitida pelo dispositivo Bluetooth. / Two popular wireless communication devices are considered in this research. Firstly, the handset Bluetooth which is one of the most economic mobile accessories and the eyewear Communicating Device which are a representation of the new futuristic vision. It is well known that the absorption of electromagnetic waves on the human head for a certain period of time may lead to health problems such as headaches. The Specific Absorption Rate (SAR) is simulated to four different head models for two approaches that perform variations in the dielectric parameters in the head tissues and compared with the available international recommendations (IEC 62209-2, 2010; ICNIRP, 2009; IEEE C95.1,2005; WHO, 2006; IEEE, 2002). The first model used is the Specific Anthropomorphic Mannequin (SAM phantom), as well as three realistic models of human head (i.e., a 34 years old adult and two children of 10 and 6 years old). The simulations were performed using the finite difference time domain (FDTD) method and the frequency used to feed the antennas was 2.45 GHz. Experimental measurements of transmission power in Bluetooth device are also described.

A proposta deste trabalho foi o desenvolvimento de um protótipo composto por hardware e software de um sistema para o gerenciamento remoto de temperatura aplicado a aerogeradores de pequeno porte. O hardware microcontrolado (PIC16F877A) recebe e condiciona o sinal emitido por sensores de temperatura (termopares), executa um algoritmo e transmite a informação via rede sem fio (ZigBee) para um software instalado em um computador remoto. O software desenvolvido em linguagem de programação Delphi permite ao usuário monitorar online a temperatura e enviar sinais de comando para ligar e desligar cargas através do acionamento de relês presentes no cartão eletrônico (hardware). O sistema desenvolvido tem foco na aplicação de monitoramento de temperatura em pontos críticos dos aerogeradores de pequeno porte. O sistema permitirá inclusive que haja a intervenção do operador parando a máquina ou então acionando sistemas de refrigeração quando os limites de temperatura forem ultrapassados, visando prolongar a vida útil da máquina evitando falhas catastróficas e não catastróficas que possam inutilizar o equipamento e/ou oferecer algum tipo de risco ao meio em que se encontra. Com o objetivo de validar o desenvolvimento, o hardware implementado foi submetido a testes de validação de distância de comunicação apresentando resultado satisfatório, entretanto abaixo da especificação emitida pelo fabricante dos módulos ZigBee utilizados. O hardware e o software foram submetidos também à validação da precisão de medição da temperatura em uma máquina elétrica com características análogas aos pequenos aerogeradores onde apresentaram resultados aceitáveis para a aplicação proposta. / The proposal of this work was the development of a composed for the hardware and software of a system for the remote management of applied temperature the wind turbine of small transport. The microcontrolled hardware (PIC16F877A) receives and conditions the signal emitted for temperature sensors (thermocouples), executes an algorithm and transmits the information saw net without wire (ZigBee) for a software installed in a remote computer. The software developed in Delphi allows the user to monitor online the temperature and to send command signals to bind and disconnect loads through the drive of you reread gifts in the electronic card (the hardware). The developed system has focus in the application of monitoring of temperature in critical points of the wind turbine of small transport, also allowing that it has the intervention of the operator stopping the machine or then setting in motion refrigeration systems when the temperature limits will be exceeded, aiming at to draw out the useful life of the machine being prevented catastrophic failures and not catastrophic that can make unusable the equipment and/or offer some type of risk to the way where if it finds. With the objective to validate the development, the hardware implemented was submitted to validation tests of distance communication presenting satisfactory result, though below the specification issued by the manufacturer of ZigBee modules used. The hardware and software were also submitted to the validation of the accuracy of temperature measurement in an electric machine with features similar to small wind turbines which showed acceptable results for the proposed application.

Neste trabalho foram desenvolvidos sistemas de aquisição portáteis de formato esférico, capazes de sensoriar forças de compressão e impacto ao longo dos três eixos cartesianos. Os instrumentos desenvolvidos foram utilizados em diferentes experimentos feitos em estabelecimentos de beneficiamento de frutas (packinghouses) durante o processo de pós-colheita a fim de verificar os danos mecânicos sofridos pelas mesmas. Os instrumentos são sistemas microcontrolados compostos por quarto sensores (acelerômetros, célula de carga, temperatura e umidade), memória Flash para o armazenamento dos dados, transceptor de rádio freqüência e uma porta de comunicações serial universal (USB). A coleta, apresentação e processamentos dos dados obtidos foram feitos por um software desenvolvido em ambiente C++ para o sistema operacional Windows. Fortes forças de compressão e impacto foram registradas, sugerindo a necessidade de mudanças no processo de seleção (mecânica e manual), empacotamento e transporte de frutas. Quatro protótipos diferentes foram desenvolvidos, dois com cabos e dois sem. Os dispositivos provaram ser úteis, funcionando como esperado e o seu projeto modular permite o desenvolvimento de diferentes instrumentos. Os resultados obtidos propiciaram pesquisas relativas aos danos sofridos por frutas durante o processo de pós-colheita. / In this work, spherical shape portable data acquisition systems that are capable of sensing compression and impact forces along the three Cartesian axes were developed. The developed instruments were utilized in several different experiments done in fruit packinghouses during the post harvest process in order to check the mechanical damages they suffer. They are microcontrolled systems composed by four sensors (accelerometers, load cell, temperature and humidity), Flash memory for data storage, radio frequency transceiver and a universal serial bus (USB) communication port. The download, presentation and data processing were done by developed C++ software that runs in a Windows environment. Strong compression and impact forces were recorded, suggesting a need for changes in the mechanical and manual selection, packing and transportation of fruits. Four different prototypes were developed, two corded and two wireless versions. The devices developed were proven to be useful, worked as expected and their modular design permit future developments. The results allowed for different research concerning the damages suffered by the fruits, during the post harvest process.

Este trabalho apresenta uma análise a respeito das restrições técnicas e comportamentais que dificultam a disseminação dos serviços móveis, tais como portais WAP. A análise foca na restrição relacionada à usabilidade das aplicações. Considerando que há um consenso de que a adaptação das aplicações móveis, em função de variáveis de contexto como: perfil do usuário, ambiente de uso e características do terminal e da rede, é uma possível solução para melhorar a usabilidade destas aplicações, analisam-se estas técnicas, concentrando-se na Modelagem do Usuário (MU) como mecanismo para a adaptação e personalização. Pretende-se analisar e testar em que medida esta abordagem de adaptação venha a melhorar a usabilidade destas aplicações móveis. Propõe-se teste de serviço móvel, baseado em uma página WAP, implementada com técnicas que permitam a adaptação. Este serviço permitirá acesso às informações de trâmites e pendências de processos burocráticos da Superintendência Regional do INCRA no Rio Grande do Sul. / This paper presents an analysis about the technical and behavioural restrictions that hinder the dissemination of mobile services, such as WAP portals. The analysis focuses on the restriction related to the usability of applications. Whereas there is a consensus that the adjustment of mobile applications depending on context, user profile, environment of conditions and use the network, characteristics a possible solution to improve the usability of these applications is to analyse these techniques focusing on modeling the User as a mechanism for adaptation and customization. The aim is to examine and test if this approach to adaptation improve the usability of these mobile applications. It is proposed to test mobile service, based on a WAP page, implemented with techniques that allow the adjustment. This service will provide access to the information and outstanding manner of bureaucratic processes of the Superintendência Regional do INCRA in Rio Grande do Sul.

Com o crescimento e o desenvolvimento de aplicações para Redes de Sensores sem Fio (RSSF), os nós-sensores passaram a realizar o tratamento de eventos mais complexos, exigindo um maior desempenho de processamento e flexibilidade do hardware. Estas novas características visam atender os requisitos de diversas aplicações, assim como, apresentarem plataformas customizáveis que possuem somente os recursos necessários para atender estes requisitos. As RSSF, muitas vezes, necessitam de uma arquitetura flexível e que estejam aptas a adaptar-se a alterações de projeto ou do próprio ambiente em que se encontram inserido. A utilização de arquiteturas reconfiguráveis é uma solução que introduz esta flexibilidade e uma grande capacidade de processamento ao nó-sensor. Comparando com as arquiteturas ASICs (Application Specific Integrated Circuit), as arquiteturas reconfiguráveis apresentam um custo reduzido no desenvolvimento de aplicações, visto que a plataforma não fica fixa a somente uma aplicação. A reconfigurabilidade permite um ganho no custo e tempo de projeto, além de possibilitar o desenvolvimento de plataformas genéricas para atender um número maior de aplicações. A proposta destas plataformas é, não apenas oferecer uma plataforma eficiente e flexível, mas também potencializar a aplicação em sistemas mais complexos que necessitem de uma maior capacidade de processamento. Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um nó-sensor reconfigurável e customizável para RSSF denominado FemtoNode. O FemtoNode possui em sua plataforma reconfigurável um processador especificado a partir de uma linguagem orientada a objetos Java e um módulo de comunicação sem fio para suportar comunicação entre os nós da rede. A arquitetura proposta foi validada com o estudo de caso de uma rede de sensores heterogênea composta por nós-sensores com plataformas distintas, sendo a análise realizada na presente dissertação. / With the growth and the development of new applications for Wireless Sensor Networks (WSN), sensors nodes are able to handle more complex events that require higher processing performance and hardware flexibility. These new features are intended to meet the requirements of various applications, as well to provide customized platforms that have only the resources needed to meet these requirements. WSNs often need a flexible architecture able to adapt to design and environment changes. The use of reconfigurable architectures is an alternative to bring more flexibility and more processing capability for the sensor-node. Compared with ASICs (Application Specific Integrated Circuit) architectures, which have a high cost in production setup, reconfigurable architectures enable a reduction in these costs because its architecture is not fixed to a single application. Reconfigurability allows a gain in the project costs and time development, and it enables the development of generic platforms to deal with a greater number of applications. Therefore, the proposal target architecture that aims to provide a flexible and efficient platform that require greater processing capacity which support the development of applications. In this work a reconfigurable and customizable sensor-node called FemtoNode is proposed. The FemtoNode has a reconfigurable platform and a wireless module to support applications for WSNs, using an object-oriented language Java as specification language of its architecture. The proposed concepts were validated with a case study of an heterogeneous wireless sensor composed of sensors nodes with different platforms, whose results are described in this work.

Este trabalho analisa as possibilidades de aplicação de redes de sensores sem-fio na agricultura, dentro do contexto da agricultura de precisão. É feita uma revisão bibliográfica genérica sobre redes de sensores sem-fio e específica sobre aplicação em agricultura. Oportunidades para aplicação real de redes de sensores neste ambiente são identificadas e caracterizadas. Uma investigação aprofundada do espaço de projeto de redes de sensores é apresentada. Com base em trabalhos publicados, é feita uma proposta de dimensões de espaço de projeto, como forma de caracterizar diferentes redes. Diversos trabalhos publicados são analisados através das dimensões propostas. Os requisitos para redes para uso agrícola são delineados e caracterizados nas dimensões de projeto. Em um segundo momento, a partir das dimensões propostas, é elaborado um modelo matemático para o funcionamento de redes de sensores. Este modelo permite explorar de forma rápida todas dimensões do espaço de projeto, verificando o impacto global na rede de decisões locais na implementação dos nós. Uma rede experimental foi implementada, sendo caracterizada segundo o modelo e posteriormente testada em condições próximas às reais de uso. Esta rede permitiu a obtenção de dados reais, auxiliou na identificação de oportunidade para uso em agricultura e contribuiu na analise de desempenho do modelo proposto. / This paper analyzes wireless sensor networks application possibilities in precision agriculture. A generic bibliographic review in the domain is done as well as a specific review about applications in agriculture. Real application opportunities in this domain were identified and characterized A deep investigation on wireless sensor networks design space is presented. A proposition of design space dimensions to characterize different networks is made based on published papers. Some previous works are analyzed using the proposed design dimensions. Requirements to the networks targeting agricultural use are delimited and characterized in these design dimensions. In a second moment a mathematical model to wireless sensor networks is proposed based on the design space dimensions. This model allows rapid design space exploration and also the verification of network impact of local node implementation decisions. A WSN was implemented and submitted to application tests. It was characterized according to the proposed model and also tested in conditions similar to the real ones. The experimental WSN allowed real data collection, helped to identified application opportunities in agriculture and contributed to analyze the behavior of the proposed model.

O crescimento na utilização de redes de sensores sem fio possibilitou desenvolver melhorias para atender as necessidades da indústria de comunicação de dispositivos em função de diversas vantagens relacionadas a baixo custo, baixo consumo de energia, mobilidade, instalação e configuração de novos dispositivos, além disso, criar funcionalidades adicionais, como por exemplo, localização de engenheiros de campo e ativos em ambientes industriais. O protocolo WirelessHART é um padrão aberto de comunicação sem fio que busca atender a estes requisitos. Neste trabalho é apresentado o estudo e desenvolvimento de uma aplicação de localização de um objeto alvo através da rede WirelessHART. São analisados diferentes métodos para estimar a distância entre o objeto alvo e os outros elementos fixos da rede de sensores sem fio, algoritmos para computar dados e determinar a localização em um plano de coordenadas. O funcionamento do sistema proposto e o método de localização utilizado foram avaliados por meio de simulações e de testes práticos. Para as condições utilizadas de instalação dos dispositivos, foi possível obter um alcance na comunicação via rádio de mais de 100 m, o que permitiu determinar uma área de monitoração do sistema de cerca de 100 m x 100 m. Os resultados obtidos do erro de localização atingiram entre um 72% e 80% de estimativas de localização menores que a 5 metros. O trabalho abordou a criação e avaliação de critérios de escolha para obter conjuntos de três transmissores com probabilidade de erros menores do que 5 metros. A avaliação dos critérios é feita através da construção de uma tabela de probabilidade conjunta obtida a partir da aplicação da regra de Bayes em dados experimentais com erro de posicionamento conhecido. / The growth in the use of wireless sensor networks has made possible the development of improvements that meet the needs of the communication industry, including several devices with to low cost, low power consumption, mobility and ease of integration, installation and configuration advantages. Not only that but they also create additional functionalities, such as showing the location of field engineers who are assets in industrial environments. The WirelessHART protocol is an open standard for wireless communication that seeks to meet these qualities. This study presents a development of an application for the localization of a mobile device via the WirelessHART network. Different methods are analyzed to estimate the distance between the mobile node and the other fixed elements of the wireless sensor network, such as deployment topologies and algorithms, which are used to compute the data and determine the location in a coordinate plane. The operation of the proposed system and the location method were evaluated by means of simulations and practical tests. Due to the conditions used for the installation of the devices, it was possible to obtain a range of radio transmission over 100 m, which allowed to determine an area of monitoring system of about 100 m x 100 m. The results obtained from the error location reached between a 72% and 80% of the estimated localization that was less than 5 meters. The study addressed the establishment and evaluation of selection criteria for sets of three transmitters with probability of less than 5 meters errors. The evaluation criteria is done by constructing a joint probability table obtained from the application of Bayes rule in experimental data with known positioning error.

Nos últimos anos tem sido observado um aumento na utilização de redes sem fio em ambientes industriais, em função de diversas vantagens relacionadas à redução de custos de cabeamento, mobilidade e facilidade de inserção, instalação e configuração de novos dispositivos. Entretanto, a aplicação de redes sem fio em sistemas de automação apresenta requisitos mais rígidos no que diz respeito à confiabilidade, segurança e garantias de entrega de mensagens. O protocolo WirelessHART é um padrão aberto de comunicação sem fio que busca atender a estes requisitos. Neste protocolo, um dispositivo conhecido como gerenciador de rede é responsável pela configuração, definição das rotas e alocação de recursos para a comunicação entre os dispositivos da rede. A definição de rotas consiste em um processo complexo, em função das características das redes sem fio, dos recursos restritos dos dispositivos e dos requisitos da aplicação. O ambiente desenvolvido nesta dissertação tem como objetivo permitir a avaliação das rotas determinadas por diferentes algoritmos de roteamento, auxiliando no desenvolvimento, comparação, ajuste de parâmetros e na identificação de problemas. O ambiente também tem como objetivo permitir a monitoração de redes WirelessHART operacionais, através da captura do tráfego na camada física, obtendo informações sobre as condições reais de operação, onde anomalias e problemas na topologia e nas rotas utilizadas na rede podem ser identificados. A ferramenta proposta foi validada com alguns estudos de estudos de caso, que também são apresentados neste trabalho. Os estudos envolveram a análise e ajuste de parâmetros de um algoritmo de definição de rotas estado da arte modificado, e a obtenção de topologias e rotas utilizadas em uma rede WirelessHART operacional. / In the last years the use of wireless networks in industrial environments has been observed, due to several advantages related to the reduction of cabling costs, mobility and ease of integration, installation and configuration of new devices. However, the implementation of wireless networks in automation systems introduces stringent requirements regarding reliability, security and message delivery guarantees. The WirelessHART protocol is an open standard for wireless communication that aims to meet these requirements. In this protocol, a device known as network manager is responsible for the configuration, routes definition, and resource allocation for communication between network devices. The route definition consists of a complex process, due to the wireless networks characteristics, limited resources of devices and application requirements. The environment developed in this work has as objective to enable the evaluation of the routes determined by different routing algorithms, helping in the development, comparison, tuning of parameters and in the identification of possible design problems. The environment also has as objective to allow the monitoring of operational WirelessHART networks, by capturing packets at the physical layer, obtaining information of operating conditions, where anomalies and problems in network topology and routes can be identified. The developed tool has been experimentally validated via some case studies, which are also described in this work. The study cases involved the analysis and tuning of parameters of a state-of-art modified route definition algorithm, and the capture of the current topology and routes of an operational WirelessHART network.