Abstract The world is rapidly developing into a networked society, where people, machines, data, services and applications are tightly integrated by means of information and communications technology. The members of Wireless Sensor requires solutions to support the unprecedented level of the system’s pervasion and heterogeneity, solutions which are missing today. Today’s device-level design procedures are an obstacle in the transition to this heterogeneous future, which demands diverse Internet of Things (IoT) devices, including low-end and low-power ones. Reducing the design and production costs of devices in low to mid-scale production quantities, requires new approaches to cope with application versatility. To address this problem, this thesis proposes a novel wireless sensor and actuator network (WSAN)/IoT device design methodology based on the combination of two approaches: platform-based design and autoconfiguration, that are applied to hardware (HW) and software (SW) components. Unlike the state-of-the-art methodologies, the methodology proposed enables more flexibility both during the design and after device deployment, while reducing the development expenses and time-to-market. Although neither of the two these approaches is fundamentally novel on its own, in this thesis they are employed in, and adapted to, extremely resource restricted systems. The feasibility of the methodology is shown by the development of technology artifact representing a Plug-and-Play enabled WSAN/IoT device platform. The new devices are assembled from HW modules, encapsulating the various power supply, processing, transceiver, sensor and actuator units, or sets of those. The central control unit of a device automatically identifies the HW, and configures the SW accordingly. The technology enablers for this - the HW and SW architectures and interfaces – are reported in this thesis. Experimentation confirms the viability of the proposed concepts and mechanisms. The utility of the designed solutions has been shown by a series of successful research projects and experimental results. / Tiivistelmä Maailma on nopeasti muuttumassa verkottuneeksi yhteisöksi, jossa ihmiset, koneet, tiedot, palvelut ja sovellukset ovat integroituneet tiiviisti yhteen tieto- ja viestintätekniikan avulla. Tämän dynaamisen ihmisten ja koneiden välisen yhteisön jäsenillä on erilaisia ja jopa ainutlaatuisia kykyjä. Tämän vision toteutuminen edellyttää toistaiseksi puuttuvia ratkaisuja, jotka tukevat ennennäkemättömän laajalle levinnyttä ja hajanaista järjestelmää. Nykyiset laitetason suunnittelumenetelmät estävät siirtymisen tähän heterogeeniseen tulevaisuuteen, joka edellyttää monipuolisia IoT-laitteita (Internet of Things, esineiden internet), mukaan lukien yksinkertaiset ja vähän virtaa kuluttavat laitteet. Tuotantomääriltään pienten ja keskisuurten laitteiden suunnittelu- ja tuotantokustannusten vähentäminen edellyttää uusia lähestymistapoja sovellusten monipuolisuuden vuoksi. Tutkielmassa ehdotetaan tämän ongelman ratkaisuksi uutta langattomien antureiden ja toimilaitteiden verkon (WSAN) / IoT-laitteiden suunnittelumenetelmää, joka perustuu näiden kahden lähestymistavan yhdistelmään: käyttöympäristöön perustuva rakenne ja automaattinen määritys, joita sovelletaan sekä laitteisto- että ohjelmistokomponentteihin. Toisin kuin nykyiset johtavat menetelmät, ehdotettu menetelmä on joustavampi sekä suunnitteluvaiheessa että laitteen käyttöönoton jälkeen. Tämä vähentää kehityskustannuksia ja laitteen markkinoille tuomiseen tarvittavaa aikaa. Vaikka kumpikaan menetelmä ei ole lähtökohtaisesti uusi, tutkielmassa niitä käytetään järjestelmissä, joissa on äärimmäisen rajoitetut resurssit, ja ne sovitetaan niihin. Menetelmän käyttökelpoisuutta esitellään kehittämällä Plug and Play –yhteensopivaa WSAN-/IoT-laiteympäristöä edustava tekninen artefakti. Uudet laitteet kootaan laitteistomoduuleista, joissa on erilaisia virtalähteitä, prosessori-, lähetin-vastaanotin-, anturija toimilaiteyksikköjä tai niistä koostuvia kokonaisuuksia. Laitteen keskusyksikkö tunnistaa laitteiston automaattisesti ja konfiguroi sen. Tutkielmassa kerrotaan, mitä teknologiaa eli laitteisto- ja ohjelmistoarkkitehtuureja ja -rajapintoja sovelluksessa on käytetty.

Abstract Advances in miniaturisation have led to the development of new wireless measurement technologies such as wireless sensor networks (WSNs). A WSN consists of low cost nodes, which are battery-operated devices, capable of sensing the environment, transmitting and receiving, and computing. While a WSN has several advantages, including cost-effectiveness and easy installation, the nodes suffer from small memory, low computing power, small bandwidth and limited energy supply. In order to cope with restrictions on resources, data processing methods should be as efficient as possible. As a result, high quality approximates are preferred instead of accurate answers. The aim of this thesis was to propose an efficient entropy approximation method for resource-constrained environments. Specifically, the algorithm should use a small, constant amount of memory, and have certain accuracy and low computational demand. The performance of the proposed algorithm was evaluated experimentally with three case studies. The first study focused on the online monitoring of WSN communications performance in an industrial environment. The monitoring approach was based on the observation that entropy could be applied to assess the impact of interferences on time-delay variation of periodic tasks. The main purpose of the additional two cases, depth of anaesthesia (DOA) –monitoring and benchmarking with simulated data sets was to provide additional evidence on the general applicability of the proposed method. Moreover, in case of DOA-monitoring, an efficient entropy approximation could assist in the development of handheld devices or processing large amount of online data from different channels simultaneously. The initial results from the communication and DOA monitoring applications as well as from simulations were encouraging. Therefore, based on the case studies, the proposed method was able to meet the stated requirements. Since entropy is a widely used quantity, the method is also expected to have a variety of applications in measurement systems with similar requirements. / Tiivistelmä Mekaanisten- ja puolijohdekomponenttien pienentyminen on mahdollistanut uusien mittaustekniikoiden, kuten langattomien anturiverkkojen kehittämisen. Anturiverkot koostuvat halvoista, paristokäyttöisistä solmuista, jotka pystyvät mittaamaan ympäristöään sekä käsittelemään, lähettämään ja vastaanottamaan tietoja. Anturiverkkojen etuja ovat kustannustehokkuus ja helppo käyttöönotto, rajoitteina puolestaan vähäinen muisti- ja tiedonsiirtokapasiteetti, alhainen laskentateho ja rajoitettu energiavarasto. Näiden rajoitteiden vuoksi solmuissa käytettävien laskentamenetelmien tulee olla mahdollisimman tehokkaita. Tämän työn tavoitteena oli esittää tehokas entropian laskentamenetelmä resursseiltaan rajoitettuihin ympäristöihin. Algoritmin vaadittiin olevan riittävän tarkka, muistinkulutukseltaan pieni ja vakiosuuruinen sekä laskennallisesti tehokas. Työssä kehitetyn menetelmän suorituskykyä tutkittiin sovellusesimerkkien avulla. Ensimmäisessä tapauksessa perehdyttiin anturiverkon viestiyhteyksien reaaliaikaiseen valvontaan. Lähestymistavan taustalla oli aiempi tutkimus, jonka perusteella entropian avulla voidaan havainnoida häiriöiden vaikutusta viestien viiveiden vaihteluun. Muiden sovellusesimerkkien, anestesian syvyysindikaattorin ja simulaatiokokeiden, päätavoite oli tutkia menetelmän yleistettävyyttä. Erityisesti anestesian syvyyden seurannassa menetelmän arvioitiin voivan olla lisäksi hyödyksi langattomien, käsikäyttöisten syvyysmittareiden kehittämisessä ja suurten mittausmäärien reaaliaikaisessa käsittelyssä. Alustavat tulokset langattoman verkon yhteyksien ja anestesian syvyyden valvonnasta sekä simuloinneista olivat lupaavia. Sovellusesimerkkien perusteella esitetty algoritmi kykeni vastaamaan asetettuihin vaatimuksiin. Koska entropia on laajalti käytetty suure, menetelmä saattaa soveltua useisiin mittausympäristöihin, joissa on samankaltaisia vaatimuksia.