Orientadora: Profa. Dra. Aline de Oliveira Neves Panazio / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Engenharia da Informação, Santo André, 2018. / Este trabalho dedica-se ao estudo de algoritmos de filtragem adaptativa autodidata no modo difusão, com aplicações em redes de sensores sem fio (RSSF). No modo difusão, os nós sensores da rede possuem poder de processamento local e trocam informações com seus vizinhos. Neste trabalho, propomos dois algoritmos utilizando como base o algoritmo CMA no modo Difusão (CMAD), com duas abordagens distintas da técnica Set-Membership. O primeiro baseia-se no algoritmo Set-Membership Least Mean Squares (SM-LMS), desenvolvido também no modo difusão. Estendemos o algoritmo para o contexto não supervisionado, denotando por Algoritmo Set-Membership CMA no modo Difusão (SM-CMAD). Mostramos que este algoritmo apresenta desempenho melhor ou similar ao CMAD, em termos de velocidade de convergência, patamar de interferência intersimbólica (IIS) e possuindo a importante vantagem de reduzir as trocas de informações entre os nós, economizando energia e recursos da rede. O segundo algoritmo proposto se baseia no Set-Membership do Módulo Constante (SM-CM), o qual estendemos para o contexto de redes de sensores sem fio no modo difusão. Tal algoritmo é denotado por Algoritmo Set-membership CMA no modo Difusão Square-root Gamma (SM-CMAD-SG). Novamente o algoritmo apresenta um bom desempenho quando comparado com o CMAD e, quando comparado ao SM-CMAD, vemos que sua principal vantagem está na economia em termos de atualizações dos coeficientes do filtro, que chega a valores acima de 70% em diversos cenários de simulação, sem grandes perdas de desempenho economizando energia. / This work is devoted to the study of unsupervised adaptive filtering algorithms in diffusion mode, with applications in wireless sensor networks (WSNs). In diffusion mode, network sensing nodes have local processing power and exchange information with their neighbors. In this work, we propose two algorithms based on the CMA algorithm in Diffusion mode (CMAD), with two different approaches to the Set-Membership technique. The first one is based on the Set-Membership Least Mean Squares (SM-LMS) algorithm, also developed in the diffusion mode. We extend the algorithm to the unsupervised context, denoting by Set-Membership CMA in Diffusion mode (SM-CMAD). We show that this algorithm presents better or similar performance to CMAD, in terms of convergence speed, intersymbol interference threshold (IIS), and has the important advantage of reducing the exchange of information between nodes, saving energy and network resources. The second proposed algorithm is based on the Set-Membership of the Constant Modulus (SM-CM), which we extend to the context of wireless sensor networks in the diffusion mode. This algorithm is denoted by the Set-membership CMA in Diffusion mode Square-root Gamma (SM-CMAD-SG). This algorithm performs well when compared to CMAD and, when compared to SM-CMAD, we see that its main advantage lies in the economy in terms of the update of the filter coefficients, which reaches values above 70% in several scenarios without loss of performance, saving energy.

Made available in DSpace on 2015-04-11T14:02:47Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Andre Ricardo Melo Araujo.pdf: 3722790 bytes, checksum: 1876d821e1e927795304f1c1ee7bbb67 (MD5) Previous issue date: 2013-03-01 / FAPEAM - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Amazonas / Wireless Sensor Network (WSN) is a special kind of ad hoc networks composed of devices capable of processing, storing, sensing the environment, and transmitting data via wireless communication interface. The sensor nodes have several limitations, among them the capacity of energy because to the reduced size. For this reason, many searches have been done with a view to improving the energy consumption of sensor nodes. This work aims to address the Problem of Coverage, Clustering and Routing with Mobile Sink (PCAR-SM, in portuguese Problema de Cobertura, Agrupamento e Roteamento com Sorvedouro Móvel) in WSN with mobile sink consisting of: given a set of sensor nodes and a monitoring area, develop algorithms to find the best subset of sensor nodes to cover the monitoring area, group them in a smaller number of clusters and find the shortest route to mobile sink navigate. The PCAR-SM is a strategy used to reduce the energy consumption of sensor nodes, data collisions, interference and redundant data in networks with high concentration of sensor nodes per area. The purpose of this paper is to solve each problem separately and together, in order to evaluate the impact of each problem on the other. The Coverage Problem has been solved with two metaheuristics: an Genetic Algorithm (GA) and a Greedy Randomized Adaptive Search Procedure (GRASP) algorithm. In the latter we used two representations of solution: (a) representation by sensor, where each element of the solution vector represents a sensor node that must be switched on or off; (b) representation by demand, where each element of the solution vector represents a demand point will indicate which sensor node cover it. The AG uses only the representation by demand. The computational results for Coverage Problem used the benchmark of Beasley s OR Library and it was possible seen that the GRASP with representation by demand achieved better results than the GA and the GRASP with representation by sensor when the optimization criterion is to minimize the total cost of each sensor node used in the solution. For Clustering Problem was created approach of virtual grids. In this approach, we divide the area into grids and clusters are formed by a set of adjacent grids (maximum 5 grids in group) forming a cross schematic. The aim of the problem is to minimize the number of clusters in the area. With this approach, we can model the Clustering Problem as a Set Cover Problem (SCP) without overlapping (an element does not belong to more than one set), which was treated by a greedy heuristic called Greedy Clustering Algorithm (GCA). The virtual grids proved to be a good solution because it is simple to identify a node which grid it belongs. Its simplicity also makes it a appropriate method for a distributed version. The Routing Problem of sink was modeled as the Travelling Salesman Problem (TSP), where the mobile sink part of a corner of the monitoring area, runs through the area visiting all clusters and returns to the starting point. For this, we propose two greedy approaches based on nearest neighbor, the Routing Greedy Algorithm - Center (RGA-C) and Routing Greedy Algorithm - Border (RGA-B). The route of the sink was also solved by a heuristic based on algorithm Centralized Spatial Partitioning (CSP). In CSP approach, the route is fixed and reminds the movement of a snake. The results show that fixed route produces a path with smaller size compared to the greedy heuristic for TSP. We analyze also the PCAR-SM, creating heuristic strategies. The union of the Clustering Problem and Routing Problem proved more beneficial in relation to the size of the sink s route. The union of Coverage Problem and Clustering Problem only proved beneficial when the communication radius was about 3,9 times greater than the sensing radius. Our results show that solve problems together allows some changes in the algorithms will lead to better results. / As Redes de Sensores Sem Fio (RSSFs) são um tipo especial de redes ad hoc constituídas por dispositivos capazes de processar, armazenar, sensoriar o ambiente e transmitir dados via interface de comunicação sem fio, denominados nós sensores. Os nós sensores possuem várias limitações, dentre elas, a capacidade de energia devido ao tamanho reduzido. Por isto, muitas pesquisas foram feitas tendo em vista a melhoria no consumo de energia dos nós sensores. Este trabalho tem como objetivo tratar o Problema de Cobertura, Agrupamento e Roteamento com Sorvedouro Móvel (PCAR-SM) em RSSF com nó sorvedouro móvel, que consiste em: dado um conjunto de nós sensores e uma área de monitoramento, desenvolver algoritmos para encontrar o melhor subconjunto de nós sensores que cubra a área de monitoramento, juntá-los no menor número de grupos possíveis e encontrar a menor rota para um nó sorvedouro móvel percorrer. O PCAR-SM é uma estratégia utilizada para diminuir o consumo de energia dos nós sensores, a colisão de dados, as interferências e os dados redundantes em redes com alta concentração de nós sensores por área. A proposta deste trabalho é resolver cada problema separadamente e em conjunto, de modo a avaliar o impacto de cada problema na solução do outro. O Problema de Cobertura foi resolvido com duas metaheurísticas: um Algoritmo Genético (AG) e um algoritmo Greedy Randomized Adaptive Search Procedure (GRASP). Neste último foram utilizadas duas representações de solução: (a) representação por sensor, onde cada elemento do vetor de solução representa um nó sensor que estará ligado ou desligado; (b) representação por demanda, onde cada elemento do vetor de solução representa um ponto de demanda no qual indicará qual o nó sensor o cobre. O AG utiliza apenas a representação por demanda. Os resultados computacionais para o Problema de Cobertura utilizaram o benchmark da Beasley s OR Library e foi possível constatar que o GRASP com representação por demanda obteve melhores resultados que o AG e o GRASP com representação por sensor quando o critério de otimização é minimizar a soma total dos custos de cada nó sensor utilizado na solução. Para o Problema de Agrupamento foi criada uma abordagem de grades virtuais. Nesta abordagem dividimos a área em grades e os grupos são formados por um conjunto de grades adjacentes (no máximo 5 grades) formando um esquema de cruz. O objetivo do problema é minimizar o número de grupos na área. A partir desta abordagem, pode-se modelar o Problema de Agrupamento como um Problema de Cobertura de Conjuntos (PCC) sem sobreposição (um elemento não pertence a mais de um conjunto), que foi tratada por uma heurística gulosa denominada Greedy Clustering Algorithm (GCA). Os grades virtuais provou ser uma boa solução por ser simples para um nó identificar a qual grade ele pertence. Sua simplicidade ainda o torna uma método adequado para uma versão distribuída. O Problema de Roteamento do nó sorvedouro foi modelado como o Problema do Caixeiro Viajante (PCV), onde o nó sorvedouro móvel parte de um canto da área de monitoramento, percorre a área visitando todos os grupos e retorna ao ponto inicial. Para isto, propomos duas abordagens gulosas baseadas no vizinho mais próximo, o Routing Greedy Algorithm - Center (RGA-C) e o Routing Greedy Algorithm - Border (RGA-B). A rota do nó sorvedouro também foi resolvida por uma heurística baseada no algoritmo Centralized Spatial Partitioning (CSP). Na abordagem CSP, a rota é fixa e lembra o movimento de uma cobra. Os resultados mostram que a rota fixa gera um percurso com tamanho menor em comparação com as heurísticas gulosas para o PCV. Analisamos, ainda, o PCAR-SM, criando estratégias heurísticas. Aunião dos Problema de Agrupamento e Roteamento, provou ser mais benéfica em relação ao tamanho da rota do nó sorvedouro, já a união do Problema de Cobertura com o Problema de Agrupamento só mostrou ser benéfica quando o raio de comunicação era aproximadamente 3, 9 vezes maior que o raio de sensoriamento. Nossos resultados, mostram que resolver os problemas em conjunto permite que algumas mudanças nos algoritmos levem a melhores resultados.

Made available in DSpace on 2016-08-17T14:52:41Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertacao-WilanderTestonePereiraSilva.pdf: 3903191 bytes, checksum: b91ff906a27937df64d75b330c6ea137 (MD5) Previous issue date: 2016-03-11 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / In this dissertation we present a research in aspects of stochastic modeling, convergence and applications of least mean square (LMS) algorithm, normalized least mean square (NLMS) algorithm and proportionate normalized least mean square (PNLMS) algorithm. Specifically, the aim is to address the LMS algorithm in your extension, defining his concepts, demonstrations of properties, algorithms and analysis of convergence, Learning Curve and Misadjustment of the algorithm in question. Within of the context of sensor networks and spatial filtering is evaluated the performance of the algorithms by the learning curve of the referred algorithms for arrangements of adaptive antennas. In the intrinsic context of the application in electrical engineering, in area of telecommunications that seek the best alternative and aims to optimize the process of transmission/reception to eliminate interference, and the least amount of elements in adaptive antenna arrays, which they are known as smart antenna, which aims to reach a signal noise ratio for small value, with appropriate number of elements. The performance of the LMS algorithm is evaluated in sensor networks that is characterized by an antenna array. Results of computer simulations for different scenarios of operation show that the algorithms have good numerical results of convergence to a suitable choice of the parameters related with the rate of learning that are associated with their average curves and the beamforming of the smart antenna array. / Nesta dissertação de mestrado apresenta-se uma investigação em aspectos de modelagem estocástica, convergência e aplicações dos algoritmos de mínimos quadrados médio (LMS), mínimos quadrados médio normalizado (NLMS) e mínimos quadrados médio normalizado proporcional (PNLMS). Particularmente, aborda-se o Algoritmo LMS em sua extensão, definindo conceitos, demonstrações de propriedades, algoritmos e análise de convergência, Curva de Aprendizagem e Desajuste do referido algoritmo. Dentro do contexto de redes de sensores e filtragem espacial avalia-se o desempenho dos algoritmos por meio da curva de aprendizagem dos referidos algoritmos para os arranjos de antenas adaptativas. No contexto intrínseco da aplicação em engenharia elétrica, isto é, na área de telecomunicações procura-se a melhor alternativa e almeja-se a otimização do processo de transmissão/recepção para eliminar interferências e a menor quantidade de elementos em arranjos de antenas adaptativas, que são conhecidas como antenas inteligentes, e que tem como objetivo atingir uma relação Sinal Ruído para valor pequeno, com número adequado de elementos. O desempenho do algoritmo LMS é avaliado em redes de sensores que é caracterizada por um arranjo de antenas. Resultados de simulações computacionais para diferentes cenários de operação mostram que os algoritmos apresentam bons resultados numéricos de convergência para uma escolha adequada dos parâmetros relacionados com a taxa de aprendizagem que são associadas com suas curvas médias e com a conformação de feixes do arranjo em antenas inteligentes.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um método para garantir a proteção dos dados contra falhas de comunicação, em redes de sensores inteligentes sem fios. A rede sem fios foi empregada nos ensaios de modelos físicos reduzidos em centrífuga para estudar o comportamento das âncoras \"tartaruga\", utilizadas nas linhas de ancoragem de sistemas oceânicos para produção de óleo e gás em águas profundas. O emprego da tecnologia de redes de sensores sem fios tem aumentado em muitas áreas da sociedade, principalmente na engenharia. Dessa forma, muitos problemas estão sendo enfrentados e estudados pelos pesquisadores. Sobretudo no que diz respeito à interferência ambiental, relação de potência e alcance, integridade da informação, miniaturização dos dispositivos, autonomia de energia, limitação de algoritmos e vida útil. A inserção da tecnologia de redes de sensores inteligentes sem fios nos ensaios de modelos físicos reduzidos em centrífuga, além de ser inédita no Brasil, permitirá avanços significativos na determinação de parâmetros que, atualmente, são de difícil obtenção com tecnologias convencionais como os sistemas de aquisição de dados e controle que utilizam cabos e fios. Muitas vezes depara-se com a inconveniência do peso dos cabos e dificuldades de instalação dos dispositivos nos modelos, pela sua pouca portabilidade. / This work present a method development to guarantee of the integrity data in the wireless smart sensor networks, employed in centrifuge physical modeling tests of anchors used as fixing devices of deep water production oil and gas systems. The use of wireless smart sensor networks technology has been increasing in many engineering areas. In spite of this evidence, lots of problems are being faced and studied by the researchers, environmental interference, power and reach relations, integrity of the information, miniaturization of the devices, energy autonomy, algorithms and useful life. The use of the wireless smart sensor networks technology in the reduced physical models test in centrifuge, by first time in Brazil, will allow significant advances in the parameters determination. The conventional instrumentation presents inconvenience of the weight cables and difficulties of the devices in the models by limited portability.

Orientadores: Hugo Enrique Hernández Figueroa, Arismar Cerqueira Sodré Junior / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-20T11:51:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Lona_DanielGrandin_M.pdf: 5547359 bytes, checksum: 1dfde15018aecd3aee7c7be413e9c669 (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: O objetivo deste trabalho é avaliar a aplicabilidade da tecnologia Radio sobre Fibra (Radio over Fiber - RoF) em redes de sensores sem-fio (Wireless Sensor Networks - WSNs) e Wi-Fi. Inicialmente, realizou-se uma detalhada análise analítica de desempenho dos sistemas em função dos parâmetros típicos de equipamentos RoF, tais como: freqüência de operação, figura de ruído, ruído de intensidade relativa do laser, ruído shot do fotodetector, ruído térmico e modulação óptica. Os sistemas analisados foram então implementados em laboratório nas faixas de freqüência de 915 MHz e 2,4 GHz para WSN e Wi-Fi, respectivamente. Os parâmetros de desempenho medidos foram a indicação de intensidade de sinal recebida (Received Signal Strength Indication - RSSI), taxa de perda de pacotes (Packet Error Rate - PER) e vazão (Throughput) / Abstract: This works aims to evaluate the applicability of Radio over Fiber (RoF) technology in Wireless Sensor Networks (WSNs) and Wi-Fi networks. Initially, the system performance has been analytically evaluated as a function of diverse parameters from RoF pieces of equipment, such as: operation frequency, noise figure, relative intensity noise, shot noise of photodetector, thermal noise and optical modulation. Furthermore, the proposed RoF systems were experimentally implemented in laboratory at 915 MHz and 2.4 GHz bands for WSN and Wi-Fi, respectively. The performance metrics were Received Signal Strength Indication (RSSI), Packet Error Rate (PER) and throughput / Mestrado / Telecomunicações e Telemática / Mestre em Engenharia Elétrica

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Smart grids and smart utility networks are the next-generation utility networks that intend to provide efficient control and management of utilities such as electricity, natural gas, water and sewage. Communication technology is the essential element for enabling formation of networks where control messages and metering data can be exchanged. In this work it is shown that wireless sensor and actuator networks are suitable candidates to implement this intelligent networks. The main routing algorithms for this category of wireless network are investigated in order to verify its performance when applied to the characteristics of smart utility networks, which are mainly related for large scale networks formed by hundreds to thousands of devices. It is shown that geographic routing is one of the most suitable routing strategies for large scale wireless networks, due to its low overhead and high scalability features. Usually, a geographic routing scheme combines a geographic greedy forwarding with a recovery mechanism to solve the local minima problem. Solutions proposed in the literature commonly combine greedy forwarding with the well known face routing for achieving this goal. However, the average path length in number of hops produced by face routing could be much worse than the optimal topological path in most realistic scenarios. In this work, it is proposed a new intermediate procedure between the geographic greedy mode and the recovery mode in order to improve routing efficiency in number of hops, without network overhead. It exploits the optimal topological route to base stations, obtained by beacon messages, as a resource to find better routes than the ones created by face routing. It is shown by simulations that the proposed hybrid approach leads to a significant improvement of routing performance when applied to combined greedy-face routing algorithms. Furthermore, experimental results obtained through testbeds shown that the proposed maintenance procedures are capable of avoid uctuations in the network infrastructure, providing robust routes for packet forwarding in large scale networks. / Smart grids e redes urbanas de comunicação formam a próxima geração de redes que pretende fornecer controle e gestão é eficiente aos servicos publicos como eletricidade, gás natural, água e esgoto. A tecnologia de comunicação é o elemento essencial para permitir a formação de redes em que mensagens de controle e dados de medição possam ser transmitidos. Neste trabalho demonstra-se que as redes de sensores e atuadores sem fio são candidatas viáveis e adequadas para implementar estas redes. Os principais algoritmos de roteamento para esta categoria de rede sem fios são investigados, a fim de verificar o seu desempenho quando aplicados às características das redes urbanas de comunicação, que geralmente são redes de grande escala formadas por centenas a milhares de dispositivos. Ainda, demostra-se que o roteamento geográfico �e uma das estratégias mais adequadas de roteamento para redes sem fio de grande escala, devido às suas características de baixa sobrecarga e alta escalabilidade. Estes algoritmos geralmente combinam um encaminhamento geográfico greedy com um mecanismo de recuperação para solucionar o problema dos mínimos locais, sendo o roteamento por faces a solução mais empregada na literatura como método de recuperação. No entanto, o número médio de saltos nos caminhos produzidos pelo roteamento por faces pode ser muito maior do que o caminho topológico ótimo na maioria dos cenários reais. Neste trabalho propõe-se um procedimento intermediário entre o encaminhamento geográfico greedy e o modo de recuperação, a fim de melhorar a eficiência em número de saltos sem gerar sobrecarga de mensagens de controle. Este procedimento explora as rotas topológicas ótimas para as estações base como um recurso adicional para encontrar rotas melhores para outros nós do que as geradas pelo roteamento por faces. Demonstra-se ainda através de simulações que a abordagem híbrida proposta melhora significativamente o desempenho do encaminhamento de pacotes quando aplicada a algoritmos greedy combinados com roteamento por faces. Ademais, os resultados experimentais obtidos através da planta teste comprovam que os procedimentos de manutenção propostos são capazes de evitar flutuações na infra-estrutura de rede, oferecendo rotas robustas para o encaminhamento de pacotes em redes de grande escala.

[EN] The study, monitoring and control of environmental phenomena such as the air pollution, climate control or homogenization temperature and humidity indoors, or understanding and extinguishing forest fires pose a constant challenge to the personnel responsible and especially to the researchers. Compete this problematic economic sectors where greenhouse crops, post-harvest cameras, chillers tractor ruminant farms, smart buildings, urban environmental studies, among many others used. In all of them there is a concern for consistency in production, for energy efficiency and environmental impact generated. It is for this homogenization, dispersion and stratification of climate variables and gases, closely related to the ventilation of outdoor spaces and venues of interest. For the understanding of physical phenomena that are generated and subsequent improvement in the structural design and automatic systems, we need a modeling and energy analysis, there are currently several methods: tracer gas techniques, intensive data collection accompanied with box-empirical modeling Black and resolution simulation of physical laws that govern the behavior of study spaces. Previous techniques independently are insufficient to provide practical solutions and are costly or highly particularized to the case study. That is why the technique Fluid Dynamics Computer (CFD), as a tool that is used to numerically solve the equations of continuity and momentum that govern energy exchange system in order to obtain the fields of speed and direction airflow, the distribution of temperature, humidity and specific gases, becomes viable for later models were used with advanced control systems. However, the CFD technique requires a validation of the results with intensive shooting (space-time) data. Most published studies refer in their conclusions to the need for such validation of the data produced and how it is done. This document, by means of case studies, seeks to address the complexity of some environmental phenomena using models with the technique of CFD, whose validation also requires a protocol systematically executed a System Data Acquisition (DAS) spatially distributed and temporally controlled, which is achieved with the design and installation of a Wireless Sensor Network (WSN). Then it finds a first justification case where having the need to study the homogenization of the microclimate of a greenhouse, a DAS is created through the integration of different technologies wired. It shows in addition to extensive technical development, an urgent need to move to a non-wired technology to achieve the spatial coverage required in rooms or spaces with greater volume. It is followed by a case study in the laboratory, which seeks to understand the distribution and stratification of a gas in a chamber with controlled ventilation. Using a CFD model, which in turn feeds and validated with a database generated from a gas sensor WSN becomes. Then, a case study where space analysis moves to a real environment and highly complex, as it is a street in the city of Valencia, Spain. / [ES] El estudio, monitoreo y control de fenómenos ambientales como lo es la contaminación atmosférica, el control del clima o la homogenización de la temperatura y la humedad en recintos cerrados, o el entendimiento y extinción de incendios forestales, plantean un reto constante a el personal responsable y especialmente a los investigadores. Compete esta problemática a sectores económicos donde se utilice cultivos bajo invernadero, cámaras de pos-cosecha, cámaras de refrigeración de tractores, explotaciones de rumiantes, edificaciones inteligentes, estudios ambientales urbanos, entre muchos otros. En todas ellas existe una preocupación por la uniformidad en la producción, por una eficiencia energética y por el impacto ambiental que se genera. Se encuentra pues dicha homogenización, dispersión y estratificación de las variables climáticas y de los gases, íntimamente relacionada con la ventilación de los espacios exteriores y los recintos de interés. Para la comprensión de los fenómenos físicos que se generan y posterior mejora del diseño estructural y de los sistemas automáticos, es necesario un modelado y estudio energético, existiendo actualmente varias metodologías: Técnicas con gas trazador, toma intensiva de datos acompañada con modelado empírico tipo caja negra, y simulación por resolución de las leyes físicas que gobiernan el comportamiento de los espacios de estudio. Las anteriores técnicas de forma independiente resultan insuficientes para dar soluciones prácticas, y resultan costosas o altamente particularizadas al caso de estudio. Es por ello que la técnica de Dinámica de Fluidos Computacionales (CFD), como herramienta que se emplea para resolver numéricamente las ecuaciones de continuidad y de momento que rigen los intercambios energéticos de un sistema con el fin de obtener los campos de velocidad y de dirección del flujo de aire, la distribución de la temperatura, de la humedad y de gases específicos, se hace viable para obtener los modelos que posteriormente se utilizaran con sistemas de control avanzado. Sin embargo, la técnica CFD requiere de una validación de los resultados con una toma (espacio-tiempo) intensiva de datos. La mayoría de los trabajos publicados hacen referencia en sus conclusiones a la necesidad de dicha validación de los datos arrojados y la forma en la que se hace. El presente documento, por medio de unos casos de estudio, busca abordar la complejidad de algunos fenómenos ambientales haciendo uso de modelos con dicha técnica de CFD, cuya validación exige además de un protocolo sistemáticamente ejecutado, un Sistema de Adquisición de Datos (DAS) espacialmente distribuido y temporalmente controlado, lo cual se alcanza con el diseño e instalación de una Red Inalámbrica de Sensores (WSN). Se encuentra entonces un primer caso justificativo, donde teniendo la necesidad del estudio de la homogenización del microclima de un invernadero, se genera un DAS gracias a la integración de diferentes tecnologías cableadas. Demuestra además de un extenso desarrollo técnico, una imperiosa necesidad de pasar a una tecnología no cableada para lograr la cobertura espacial requerida en recintos o espacios con mayor volumen. Le sigue un caso de estudio a nivel de laboratorio, donde se busca entender la distribución y estratificación de un gas en un recinto con ventilación controlada. Se hace uso de un modelo con CFD, que a su vez se alimenta y valida con un banco de datos generado gracias a una WSN con sensores de gases. Luego, un caso de estudio donde el espacio de análisis se traslada a un ambiente real y con alta complejidad, como lo es una calle de la ciudad de Valencia, España. / [CAT] L'estudi, monitoratge i control de fenòmens ambientals com és la contaminació atmosfèrica, el control del clima o l'homogeneïtzació de la temperatura i la humitat en recintes tancats, o l'enteniment i extinció d'incendis forestals, plantegen un repte constant al personal responsable i especialment als investigadors. Competeix aquesta problemàtica a sectors econòmics on s'utilitza cultius sota hivernacle, càmeres de pos-collita, cambres de refrigeració de tractors, explotacions de remugants, edificacions intel ligents, estudis ambientals urbans, entre molts altres. En totes elles hi ha una preocupació per la uniformitat en la producció, per una eficiència energètica i per l'impacte ambiental que es genera. Es troba doncs aquesta homogeneïtzació, dispersió i estratificació de les variables climàtiques i dels gasos, íntimament relacionada amb la ventilació dels espais exteriors i els recintes d'interès. Per a la comprensió dels fenòmens físics que es generen i posterior millora del disseny estructural i dels sistemes automàtics, cal un modelatge i estudi energètic, existint actualment diverses metodologies: Tècniques amb gas traçador, presa intensiva de dades acompanyada amb modelatge empíric tipus caixa negra, i simulació per resolució de les lleis físiques que governen el comportament dels espais d'estudi. Les anteriors tècniques de forma independent resulten insuficients per donar solucions pràctiques, i resulten costoses o altament particularitzades al cas d'estudi. És per això que la tècnica de dinàmica de fluids Computacionals (CFD), com a eina que s'uilitilza per resoldre numèricament les equacions de continuïtat i de moment que regeixen els intercanvis energètics d'un sistema per tal d'obtindre els camps de velocitat i de direcció del flux d'aire, la distribució de la temperatura, de la humitat i de gasos específics, es fa viable per obtindre els models que posteriorment s'utilitzaran amb sistemes de control avançat. No obstant això, la tècnica CFD requereix d'una validació dels resultats amb una presa (espai-temps) intensiva de dades. La majoria dels treballs publicats fan referència en les seves conclusions a la necessitat d'aquesta validació de les dades llançats i la forma en què es fa. El present document, per mitjà d'uns casos d'estudi, busca abordar la complexitat d'alguns fenòmens ambientals fent ús de models amb aquesta tècnica de CFD, la validació exigeix a més d'un protocol sistemàticament executat, un Sistema d'Adquisició de Dades (DAS) espacialment distribuït i temporalment controlat, la qual cosa s'aconsegueix amb el disseny i instal lació d'una Xarxa Sense fil de Sensors (WSN). Es troba llavors un primer cas justificatiu, on tenint la necessitat de l'estudi de l'homogeneïtzació del microclima d'un hivernacle, es genera un DAS gràcies a la integració de diferents tecnologies cablejades. Demostra a més d'un extens desenvolupament tècnic, una imperiosa necessitat de passar a una tecnologia no cablejada per aconseguir la cobertura espacial requerida en recintes o espais amb més volum. El segueix un cas d'estudi a nivell de laboratori, on es busca entendre la distribució i estratificació d'un gas en un recinte amb ventilació controlada. Es fa ús d'un model amb CFD, que al seu torn s'alimenta i valida amb un banc de dades generat gràcies a una WSN amb sensors de gasos. Després, un cas d'estudi on l'espai d'anàlisi es trasllada a un ambient real i amb alta complexitat, com ho és un carrer de la ciutat de València, Espanya. / Marulanda Tobón, A. (2016). MODELOS EN DINÁMICA DE FLUIDOS COMPUTACIONAL PARA APLICACIONES AMBIENTALES Y SU VALIDACIÓN CON SISTEMAS DE ADQUISICIÓN DE DATOS BASADOS EN REDES DE SENSORES INALÁMBRICAS [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/63461 / TESIS

[ES] Los sistemas de audio han experimentado un gran desarrollo en los últimos años gracias al aumento de dispositivos con procesadores de alto rendimiento capaces de realizar un procesamiento cada vez más eficiente. Además, las comunicaciones inalámbricas permiten a los dispositivos de una red estar ubicados en diferentes lugares sin limitaciones físicas. La combinación de estas tecnologías ha dado lugar a la aparición de las redes de sensores acústicos (ASN). Una ASN está compuesta por nodos equipados con transductores de audio, como micrófonos o altavoces. En el caso de la monitorización acústica del campo, sólo es necesario incorporar sensores acústicos a los nodos ASN. Sin embargo, en el caso de las aplicaciones de control, los nodos deben interactuar con el campo acústico a través de altavoces. La ASN puede implementarse mediante dispositivos de bajo coste, como Raspberry Pi o dispositivos móviles, capaces de gestionar varios micrófonos y altavoces y de ofrecer una buena capacidad de cálculo. Además, estos dispositivos pueden comunicarse mediante conexiones inalámbricas, como Wi-Fi o Bluetooth. Por lo tanto, en esta tesis, se propone una ASN compuesta por dispositivos móviles conectados a altavoces inalámbricos mediante un enlace Bluetooth. Además, el problema de la sincronización entre los dispositivos de una ASN es uno de los principales retos a abordar, ya que el rendimiento del procesamiento de audio es muy sensible a la falta de sincronismo. Por lo tanto, también se lleva a cabo un análisis del problema de sincronización entre dispositivos conectados a altavoces inalámbricos en una ASN. En este sentido, una de las principales aportaciones es el análisis de la latencia de audio cuando los nodos acústicos de la ASN están formados por dispositivos móviles que se comunican altavoces mediante enlaces Bluetooth. Una segunda contribución significativa de esta tesis es la implementación de un método para sincronizar los diferentes dispositivos de una ASN, junto con un estudio de sus limitaciones. Por último, se ha introducido el método propuesto para implementar aplicaciones de zonas sonoras personales (PSZ). Por lo tanto, la implementación y el análisis del rendimiento de diferentes aplicaciones de audio sobre una ASN compuesta por dispositivos móviles y altavoces inalámbricos es también una contribución significativa en el área de las ASN. Cuando el entorno acústico afecta negativamente a la percepción de la señal de audio emitida por los altavoces de la ASN, se uti­lizan técnicas de ecualización para mejorar la percepción de la señal de audio. Para ello, en esta tesis se implementa un sistema de ecualización inteligente. Para ello, se emplean algoritmos psicoacústicos para implementar un procesamiento inteligente basado en el sis­tema auditivo humano capaz de adaptarse a los cambios del entorno. Por ello, otra contribución importante de esta tesis es el análisis del enmas­caramiento espectral entre dos sonidos complejos. Este análisis permitirá calcular el umbral de enmascaramiento de un sonido con más precisión que los métodos utilizados actualmente. Este método se utiliza para implementar una aplicación de ecualización perceptiva que pretende mejorar la percepción de la señal de audio en presencia de un ruido ambien­tal. Para ello, esta tesis propone dos algoritmos de ecualización diferentes: 1) la pre-ecualización de la señal de audio para que se perciba por encima del umbral de enmascaramiento del ruido ambiental y 2) diseñar un con­trol de ruido ambiental perceptivo en los sistemas de ecualización activa de ruido (ANE), para que el nivel de ruido ambiental percibido esté por debajo del umbral de enmascaramiento de la señal de audio. Por lo tanto, la ultima aportación de esta tesis es la implementación de una aplicación de ecualización perceptiva con los dos diferentes algorit­mos de ecualización embebidos y el análisis de su rendimiento a través del banco de pruebas realizado en el laboratorio GTAC-iTEAM. / [CA] El sistemes de so han experimentat un gran desenvolupament en els últims anys gràcies a l'augment de dispositius amb processadors d'alt rendiment capaços de realitzar un processament d'àudio cada vegada més eficient. D'altra banda, l'expansió de les comunicacions inalàmbriques ha permès implementar xarxes en les quals els dispositius poden estar situats a difer­ents llocs sense limitacions físiques. La combinació d'aquestes tecnologies ha donat lloc a l'aparició de les xarxes de sensors acústics (ASN). Una ASN està composta per nodes equipats amb transductors d'àudio, com micr`ofons o altaveus. En el cas del monitoratge del camp acústic, només cal incorporar sensors acústics als nodes de l'ASN. No obstant això, en el cas de les aplicacions de control, els nodes han d'interactuar amb el camp acústic a través d'altaveus. Una ASN pot implementar-se mitjant¿cant dispositius de baix cost, com ara Raspberry Pi o dispositius mòbils, capaços de gestionar di­versos micròfons i altaveus i d'oferir una bona capacitat computacional. A més, aquests dispositius poden comunicar-se a través de connexions inalàmbriques, com Wi-Fi o Bluetooth. Per això, en aquesta tesi es proposa una ASN composta per dispositius mòbils connectats a altaveus inalàmbrics a través d'un enllaç Bluetooth. El problema de la sincronització entre els dispositius d'una ASN és un dels principals reptes a abordar ja que el rendiment del processament d'àudio és molt sensible a la falta de sincronisme. Per tant, també es duu a terme una anàlisi profunda del problema de la sincronització entre els dispositius comercials connectats als altaveus inalàmbrics en una ASN. En aquest sentit, una de les principals contribucions és l'anàlisi de la latència d'àudio quan els nodes acústics en l'ASN estan compostos per dispositius mòbils que es comuniquen amb els altaveus corresponents mitjançant enllaços Bluetooth. Una segona contribuciò sig­nificativa d'aquesta tesi és la implementació d'un mètode per sincronitzar els diferents dispositius d'una ASN, juntament amb un estudi de les seves limitacions. Finalment, s'ha introduït el mètode proposat per implemen­tar aplicacions de zones de so personal. Per tant, la implementació i l'anàlisi del rendiment de diferents aplicacions d'àudio sobre una ASN composta per dispositius mòbils i al­taveus inalàmbrics és també una contribució significativa a l'àrea de les ASN. Quan l'entorn acústic afecta negativament a la percepció del senyal d'àudio emesa pels altaveus de l'ASN, es fan servir tècniques d'equalització per a millorar la percepció del senyal d'àudio. En consequència, en aquesta tesi s'implementa un sistema d'equalització intel·ligent. Per això, s'utilitzen algoritmes psicoacústics per implementar un processament intel·ligent basat en el sistema audi­tiu humà capaç d'adaptar-se als canvis de l'entorn. Per aquest motiu, una altra contribució important d'aquesta tesi és l'anàlisi de l'emmascarament espectral entre dos sons complexos. Aquesta anàlisi permetrà calcular el llindar d'emmascarament d'un so sobre amb més precisió que els mètodes utilitzats actualment. Aquest mètode s'utilitza per a imple­mentar una aplicació d'equalització perceptual que pretén millorar la per­cepció del senyal d'àudio en presència d'un soroll ambiental. Per això, aquesta tesi proposa dos algoritmes d'equalització diferents: 1) la pree­qualització del senyal d'àudio perquè es percebi per damunt del llindar d'emmascarament del soroll ambiental i 2) dissenyar un control de soroll ambiental perceptiu en els sistemes d'equalització activa de soroll (ANE) de manera que el nivell de soroll ambiental percebut estiga per davall del llindar d'emmascarament del senyal d'àudio. Per tant, l'última aportació d'aquesta tesi és la implementació d'una aplicació d'equalització perceptiva amb els dos algoritmes d'equalització embeguts i l'anàlisi del seu rendiment a través del banc de proves realitzat al laboratori GTAC-iTEAM. / [EN] Audio systems have been extensively developed in recent years thanks to the increase of devices with high-performance processors able to per­form more efficient processing. In addition, wireless communications allow devices in a network to be located in different places without physical limitations. The combination of these technologies has led to the emergence of Acoustic Sensor Networks (ASN). An ASN is com­posed of nodes equipped with audio transducers, such as microphones or speakers. In the case of acoustic field monitoring, only acoustic sensors need to be incorporated into the ASN nodes. However, in the case of control applications, the nodes must interact with the acoustic field through loudspeakers. ASN can be implemented through low-cost devices, such as Rasp­berry Pi or mobile devices, capable of managing multiple mi­crophones and loudspeakers and offering good computational capacity. In addition, these devices can communicate through wireless connections, such as Wi-Fi or Bluetooth. Therefore, in this dissertation, an ASN composed of mobile devices connected to wireless speak­ers through a Bluetooth link is proposed. Additionally, the problem of syn­chronization between the devices in an ASN is one of the main challenges to be addressed since the audio processing performance is very sensitive to the lack of synchronism. Therefore, an analysis of the synchroniza­tion problem between devices connected to wireless speakers in an ASN is also carried out. In this regard, one of the main contributions is the analysis of the audio latency of mobile devices when the acoustic nodes in the ASN are comprised of mobile devices communicating with the corresponding loudspeakers through Bluetooth links. A second significant contribution of this dissertation is the implementation of a method to synchronize the different devices of an ASN, together with a study of its limitations. Finally, the proposed method has been introduced in order to implement personal sound zones (PSZ) applications. Therefore, the imple­mentation and analysis of the performance of different audio applications over an ASN composed of mobile devices and wireless speakers is also a significant contribution in the area of ASN. In cases where the acoustic environment negatively affects the percep­tion of the audio signal emitted by the ASN loudspeakers, equalization techniques are used with the objective of enhancing the perception thresh­old of the audio signal. For this purpose, a smart equalization system is implemented in this dissertation. In this regard, psychoacous­tic algorithms are employed to implement a smart processing based on the human hearing system capable of adapting to changes in the envi­ronment. Therefore, another important contribution of this thesis focuses on the analysis of the spectral masking between two complex sounds. This analysis will allow to calculate the masking threshold of one sound over the other in a more accurate way than the currently used methods. This method is used to implement a perceptual equalization application that aims to improve the perception threshold of the audio signal in presence of ambient noise. To this end, this thesis proposes two different equalization algorithms: 1) pre-equalizing the audio signal so that it is perceived above the ambient noise masking threshold and 2) designing a perceptual control of ambient noise in active noise equalization (ANE) systems, so that the perceived ambient noise level is below the masking threshold of the audio signal. Therefore, the last contribution of this dissertation is the imple­mentation of a perceptual equalization application with the two different embedded equalization algorithms and the analysis of their performance through the testbed carried out in the GTAC-iTEAM laboratory. / This work has received financial support of the following projects: • SSPRESING: Smart Sound Processing for the Digital Living (Reference: TEC2015-67387-C4-1-R. Entity: Ministerio de Economia y Empresa. Spain). • FPI: Ayudas para contratos predoctorales para la formación de doctores (Reference: BES-2016-077899. Entity: Agencia Estatal de Investigación. Spain). DANCE: Dynamic Acoustic Networks for Changing Environments (Reference: RTI2018-098085-B-C41-AR. Entity: Agencia Estatal de Investigación. Spain). • DNOISE: Distributed Network of Active Noise Equalizers for Multi-User Sound Control (Reference: H2020-FETOPEN-4-2016-2017. Entity: I+D Colaborativa competitiva. Comisión de las comunidades europea). / Estreder Campos, J. (2022). Smart Sound Control in Acoustic Sensor Networks: a Perceptual Perspective [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/181597 / TESIS

[pt] Este trabalho avalia a coleta esporádica de dados em uma rede sem fio Bluetooth Mesh, usando o simulador OMNET (mais mais) INET. O coletor de dados é um nó sink em movimento, que poderia ser um smartphone ou outro dispositivo portátil, carregado por um pedestre, ciclista, animal, ou um drone. O nó sink poderia se conectar a uma rede mesh em áreas de difícil acesso onde não há acesso a internet, e coletar dados de sensores. Após implementar extensões ao Bluetooth Mesh, funcionalidades de nós Low Power e Friends no OMNET (mais mais), conseguimos propor e avaliar algoritmos para roteamento adaptativo, e com foco em mobilidade, de dados de sensores em direção ao nó sink. Uma variação de um dos algoritmos de roteamento propostos alcançou um aumento de 173,54 por cento na quantidade de dados únicos entregues ao nó sink em comparação ao algoritmo de roteamento padrão do Bluetooth Mesh. Neste caso, houve um aumento de apenas 4,63 por cento no consumo de energia para o mesmo cenário. Além disso, a taxa de entrega aumentou em 111.82 por cento. / [en] This work evaluates sporadic data collection on a Bluetooth Mesh network, using the OMNET (plus plus) INET simulator. The data collector is a roaming sink node, which could be a smartphone or other portable device, carried by a pedestrian, a biker, an animal, or a drone. The sink node could connect to a mesh network in hard-to-reach areas that do not have internet access and collect sensor data. After implementing Bluetooth Mesh relay extensions, Low Power, and Friend features in OMNET (plus plus), we were able to propose and evaluate algorithms for mobility-aware, adaptive, routing of sensor data towards the sink node. One variation of a proposed routing algorithm achieved a 173.54 percent increase in unique data delivered to the sink node compared to Bluetooth Mesh s default routing algorithm. In that case, there was only a 4.63 percent increase in energy consumption for the same scenario. Also, the delivery rate increased by 111.82 percent.

[pt] Redes de sensores sem fio (WSN) são uma importante alternativa na coleta de dados em diversas situações, tais como no monitoramento de grandes áreas ou áreas que apresentem perigo. A recuperação de dados de WSNs é uma importante atividade que pode obter melhores resultados com o uso de veículos aéreos não tripulados (UAV) como, por exemplo, em relação ao aumento da quantidade de dados coletados e diminuição do tempo entre a coleta dos dados e seu uso. Em particular, áreas tomadas por desastres podem ficar sem recursos de comunicação e com grande risco residual para humanos, momento no qual uma WSN pode ser rapidamente lançada por via aérea e atuar na coleta de dados relevantes até que medidas pertinentes e dedicadas possam ser colocadas em ação. Estudos apresentam abordagens no uso de UAVs para coleta dos dados de WSN, focando principalmente na otimização do caminho a ser percorrido por um único UAV e se baseando em uma comunicação de longo alcance sempre disponível, não explorando a possibilidade da utilização de diversos UAVs ou à limitação do alcance da comunicação. Neste trabalho apresentamos o DADCA, uma abordagem distribuída escalável capaz de coordenadar grupos de UAVs na coleta de dados de WSN sob restrições de alcance de comunicação, sem fazer uso de técnicas de otimização. Resultados indicam que a quantidade de dados coletados pelo DADCA é semelhante ou superior, em até 1 porcento, a abordagens de otimização de caminhos percorridos por UAVs. O atraso no recebimento de mensagens de sensores é até 46 porcento menor do que outras abordagens e o processamento necessário a bordo de UAVs é no mínimo menor do que 75 porcento do que aqueles que utilizam algoritmos baseados em otimização. Os resultados apresentados indicam que o DADCA é capaz de igualar e até superar outras abordagens apresentadas, agregando vantagens de uma abordagem distribuída. / [en] Wireless sensor networks (WSNs) are an important means of collecting data in a variety of situations, such as monitoring large or hazardous areas. The retrieval of WSN data can yield better results with the use of unmanned aerial vehicles (UAVs), for example, concerning the increase in the amount of collected data and decrease in the time between the collection and use of the data. In particular, disaster areas may be left without communication resources and with great residual risk to humans, at which point a WSN can be quickly launched by air to collect relevant data until other measures can be put in place. Some studies present approaches to the use of UAVs for the collection of WSN data, focusing mainly on optimizing the path to be covered by a single UAV and relying on long-range communication that is always available; these studies do not explore the possibility of using several UAVs or the limitations on the range of communication. This work describes DADCA, a distributed scalable approach capable of coordinating groups of UAVs in WSN data collection with restricted communication range and without the use of optimization techniques. The results show that the amount of data collected by DADCA is similar or superior, by up to 1 percent, to path optimization approaches. In the proposed approach, the delay in receiving sensor messages is up to 46 percent shorter than in other approaches, and the required processing onboard UAVs can reach less than 75 percent of those using optimization-based algorithms. The results indicate that the DADCA can match and even surpass other approaches presented, while also adding the advantages of a distributed approach.