M. Tech. Electrical Engineering. / Discusses the question of how to prolong the life of an entire sensor network by reducing the power consumption is the most important issue in wireless sensor networks. Traditional routing schemes have not fulfilled the expectations of an optimised WSN, and as a result, new algorithms are being designed globally. One of these protocols which serve as a basis for this study is the RCRR. In this project, we present a new approach of the Relative Coordinates Rumor Routing algorithm based on a link quality awareness scheme and a modified version of the protocol with better scaling.The benefits of this study are: Proposal of a tuneable algorithm that will not only consume less power compared to the classic RR but also addresses the scalability problem encountered with the original RCRR. Proposal a better trade-off between throughput and average end-to-end delay with the use of the SMAC (compared with Rumor protocol). Avoidance of long delays in queues and saving power on retransmission of packets. Reduction of the wandering of agents during communication. Prolonging the lifetime of the network and thus offering economic, operational, and environmental benefits. Balancing link quality awareness with a topological localisation scheme to achieve better throughput.

M. Tech. Electrical Engineering. / Aims to develope a detection procedure whose objective function is to try as much as possible not to impact heavily on the resource constrained sensor nodes.

M. Tech. Electrical Engineering. / Wireless sensor networks (WSNs) are considered to be the next generation network after the Internet. However the limited energy supply is still a serious restriction for them. Hence energy consumption is a key design criterion for the routing protocol in WSNs. Gradient-based routing (GBR) is an energy efficient routing protocol for WSNs. However, shortcomings exist in the GBR scheme, such as: (1) nodes deliver the message in a point to point manner and do not use the broadcast nature of wireless networks; (2) the nodes which are near the sink will be overused; (3) sinks use flooding to broadcast the interest messages, and hence, many duplicated packets are transmitted. To address these shortcomings, three algorithms are presented according to the problems identified above. Firstly, a competing algorithm GBR-C is proposed. Simulation results showed that GBR-C provided better results than GBR in terms of energy efficiency. Secondly, a refilling algorithm GBR-R is proposed. The simulation results revealed that compared to GBR, network lifetime was prolonged up to 63% with the GBR-R algorithm. Thirdly, a network coding algorithm, GBR-NC, is proposed. Simulation results showed that compared with GBR, GBR-NC could save up to 60% of energy when the network coding scheme N of 4 is used.

This research addresses real-time task scheduling in industrial process control. It includes a constraint-based scheduler which is based on MSP.RTL, a tool for real-time multiprocessor scheduling problems with a wide variety of timing constraints. This dissertation extends previous work in two broad directions: improving the tool itself and broadening the application domain of the tool to include wired and wireless industrial process control. For the tool itself, we propose enhancements to MSP.RTL in three steps. In the first step, we modify the data structure for representing the temporal constraint graph and cutting the memory usage in half. In the second step, we model the search problem as a constraint satisfaction problem (CSP) and utilize backmarking and conflict-directed backjumping to speed up the search process. In the third step, we perform the search from the perspective of constraint satisfaction programming. As a result, we are able to use existing CSP techniques efficiently, such as look ahead, backjumping and consistency checking. Compared to the various ad hoc heuristics used in the original version, the new approach is more systematic and powerful. To exercise the new MSP.RTL tool, we acquired an updated version of the Boeing 777 Integrated Airplane Information Management System(AIMS). This new benchmark problem is more complicated than the old one used in the original tool in that data communications are described in messages and a message can have multiple senders and receivers. The new MSP.RTL tool successfully solved the new benchmark problem, whereas the old tool would not be able to do so. In order to apply real-time scheduling in industrial process control, we carry out our research in two directions. First, we apply the improved tool to traditional wired process control. The tool has been successfully applied to solve the block assignment problem in Fieldbus networks, where each block comprising the control system is assigned to a specific device such that certain metrics of the system can be optimized. Wireless industrial control has received a lot of attention recently. We experimented with the tool to schedule communications on a simulated wireless industrial network. In order to integrate the scheduler in real wireless process control systems, we are building an experimental platform based on the WirelessHART standard. WirelessHART, as the first open wireless standard for process control, defines a time synchronized MAC layer, which is ideal for real time process control. We have successfully implemented a prototype WirelessHART stack on Freescale JM128 toolkits and built some demo applications on top of it. Even with the scheduler tool to regulate communications in a wireless process control, it may still be possible that communications cannot be established on an inferior wireless link within an expected period. In order to handle this type of failures, we propose to make the control modules aware of the unreliability of wireless links, that is, to make the control modules adapt to the varying link qualities. PID(Proportional, Integral, Derivative) modules are the most used control modules. We developed PIDPlus, an enhanced PID algorithm to cope with possible lost inputs and outputs. It has been shown that PIDPlus can drastically improve the stability of the control loop in cases of unreliable wireless communications. / text

Τα δίκτυα ασύρματων αισθητήρων είναι ένα διαρκώς εξελισσόμενο πεδίο έρευνας και εφαρμογών καθώς και μια αναπτυσσόμενη βιομηχανία. Το ιδιαίτερο χαρακτηριστικό τους είναι ότι αποτελούνται από πολυάριθμους κόμβους και ενώ κάθε ένας από αυτούς ξεχωριστά έχει περιορισμένους πόρους και ελάχιστες δυνατότητες, η χρήση πολλών κόμβων μαζί και η καθώς και η δικτυακή τους σύνδεση οδηγούν σε τεράστιες δυνατότητες. Η γκάμα εφαρμογών τους μπορεί να επηρεάσει κάθε πτυχή της ανθρώπινης ζωής και το μόνο σίγουρο είναι ότι θα παίζουν βασικό ρόλο στην καθημερινότητα του ανθρώπου στο μέλλον. Στην παρούσα διπλωματική εργασία λοιπόν αναπτύσσεται ένα δίκτυο ασύρματων αισθητήρων μικρής κλίμακας που αφουγκράζεται τις συνθήκες του περιβάλλοντος σε μια οικεία και στη συνέχεια λαμβάνονται αυτόματα ενέργειες βασισμένες σε αυτές τις συνθήκες. Οι ενέργειες αυτές αφορούν τον έλεγχο βασικών οικιακών συσκευών προκειμένου να αυτοματοποιηθεί η χρήση τους με βάση τα κριτήρια που δίνονται από το χρήστη μέσω ενός Web interface. Η διπλωματική εργασία χωρίζεται σε 4 κεφάλαια. Στο πρώτο γίνεται μια σύντομη ανάλυση της συνεισφοράς των δικτύων ασύρματων αισθητήρων και παρουσιάζεται η δομή της εφαρμογής που κατασκευάστηκε. Στο δεύτερο γίνεται μια εισαγωγή στα δίκτυα ασύρματων αισθητήρων και μια πιο λεπτομερής επισκόπηση των εφαρμογών τους, καθώς και των λειτουργικών συστημάτων που χρησιμοποιούνται για τον προγραμματισμό τους. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζεται ο τεχνικός εξοπλισμός που χρησιμοποιήθηκε στα πλαίσια της εφαρμογής αυτής. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται ο τρόπος λειτουργίας της εφαρμογής και των δυνατοτήτων της μέσω μιας γενική περιγραφής του κώδικα που γράφτηκε για την υλοποίηση της. Τέλος παρατίθεται μια σύντομη αξιολόγηση της εφαρμογής, καθώς και μελλοντικές κατευθύνσεις στον τομέα αυτόν. Στο παράρτημα είναι διαθέσιμος ο κώδικας της εφαρμογής καθώς και η βιβλιογραφία στην οποία βασίστηκε η συγγραφή αυτής της εργασίας. / Wireless sensors networks is a constantly growing field of research and applications as well as a growing industry. Their special feature is that they consist of numerous nodes and while each of them has very limited resources and capabilities, the usage of many nodes combined along with their interconnection leads to enormous potential. Their range of applications can affect every aspect of human life and it is only sure that they will play a key role in the everyday life of mankind in the future. In this dissertation, a small scale wireless sensors network is developed, that senses the environmental conditions of a house and then automatically take actions based on these conditions. These actions are taken on basic home devices in order to automate their usage based on criteria given by the user through a web interface This dissertation consists of four chapters. The first chapter is a brief analysis of the wireless sensors network contribution and a brief look on the application’s structure. The second chapter is an introduction to wireless sensors networks and a more detailed overview of their applications, along with the operating systems used to program them. The third chapter is a presentation of the hardware used in this application. The fourth chapter presents the way this application works along with its capabilities through a general description of the code that was written for its implementation. Finally, there is a brief synopsis and evaluation of the application as well as ideas for future development in this field. The appendix section provides the full code of the application along with the bibliography on which the writing of this dissertation was based.

Στην εργασία αυτή μελετούνται ζητήματα που αφορούν την εφαρμογή των δικτύων αισθητήρων και του διαδικτύου των αντικειμένων σε κτίρια, με στόχο την εξοικονόμηση ενέργειας. Αρχικά, γίνεται μία επισκόπηση για τα πράσινα και τα έξυπνα κτίρια, τόσο για τα χαρακτηριστικά τους όσο και για τις τεχνικές κατασκευής τους. Η μελέτη επικεντρώνεται όμως στον τομέα της εξοικονόμησης ενέργειας παρουσιάζοντας τις πιο διαδεδομένες εμπορικές λύσεις αλλά και την πρόοδο σε επίπεδο έρευνας, παρουσιάζοντας τα αποτελέσματα από τα πιο πρόσφατα ερευνητικά προγράμματα. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται το σύστημα και οι αυτοματισμοί που αναπτύχθηκαν προκειμένου να μπορέσουν να ελεγχθούν τα ηλεκτρομηχανολογικά συστήματα του κτιρίου. Πρώτα, αναλύεται η αρχιτεκτονική του συστήματος και των αυτοματισμών. Έπειτα, περιγράφεται η ασύρματη δικτύωση των αυτοματισμών χρησιμοποιώντας ενσωματωμένες IPv6 τεχνολογίες. Τέλος, παρουσιάζονται οι τρόποι διασύνδεσης του αυτοματισμού με την κάθε συσκευή και ο τρόπος που ελέγχονται μέσα από τις εντολές που δίνει ο χρήστης και τα σενάρια που έχει ορίσει. Τέλος, περιγράφονται οι εφαρμογές του συστήματος, τα σενάρια που εφαρμόστηκαν, οι μετρήσεις και η εξοικονόμηση ενέργειας που επετεύχθη στην κάθε περίπτωση. Η κύρια εφαρμογή που αναλύεται είναι στο εργαστήριο δικτύων αισθητήρων του τμήματος Μηχανικών Ηλεκτρονικών Υπολογιστών και Πληροφορικής στο πανεπιστήμιο της Πάτρας ενώ επίσης γίνεται αναφορά στις εφαρμογές που έγιναν στις αίθουσες ενός Γυμνασίου της Πάτρας, στο σύστημα ποτίσματος ενός θερμοκηπίου φράουλας και στο σύστημα πρόληψης βλαβών σε ηλεκτρολογικούς πίνακες στο εργοστάσιο της Αθηναϊκής Ζυθοποιίας στην Πάτρα. / In this work are studied issues relating to the application of sensor networks and the internet of things in buildings, in order to save energy. Firstly, there is an overview of green and smart buildings, both for their features and techniques for their construction. The study, however, focuses on energy saving, indicating the most common commercial solutions and progress at the research level, presenting the results of the latest research programs. Then, occurs the system and automations that developed to be able to control the electro-mechanical systems of the building. First, is analyzed the system architecture and the structure of automations. Then, is described the wireless networking of the automations using embedded IPv6 technologies. Finally, is shown how the automations are interface with each device and the way they controlled through commands given by the user and the scenarios that are designated. Finally, is described the applications of the system, the scenarios that were applied, the measurements and the energy savings that achieved in each case. The main application that is analyzed took place in the sensor networks laboratory of Computer Engineering and Informatics Department at the University of Patras. There are also references to applications that were made in the classrooms of a high school of Patras, in the irrigation system of a greenhouse with strawberries and in the early notification system to prevent damage in the electrical panels of Heineken's factory in Patras.

Η παρούσα διπλωματική εργασία συνίσταται στην μελέτη, την ανάπτυξη και την αξιολόγηση τεχνικών και μεθόδων αποφυγής συμφόρησης στα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων. Στα πλαίσια της εργασίας σχεδιάστηκε μια μέθοδος αποφυγής συμφόρησης η οποία δύναται να διαχειριστεί με επιτυχία κίνηση πακέτων δεδομένων διαφορετικών προτεραιοτήτων και η οποία ονομάστηκε Priority Based Congestion Avoidance Technique (PB-CAT). Η PB-CAT χρησιμοποιεί έναν εξελιγμένο μηχανισμό καθυστέρησης και συγχώνευσης πακέτων ώστε να μειώνεται ο συνολικός αριθμός μεταδόσεων και να αυξάνεται η εκμετάλλευση του μέσου επικοινωνίας με αποτέλεσμα τη βελτίωση της απόδοσης του δικτυακού συστήματος. Με σκοπό την πειραματική αξιολόγησή της, η μέθοδος υλοποιήθηκε στο λειτουργικό σύστημα Contiki και έγιναν εκτεταμένες προσομοιώσεις της λειτουργίας της στον Cooja simulator. Τα αποτελέσματα των εν λόγω προσομοιώσεων απέδειξαν ότι η τεχνική που προτείνεται παρουσιάζει ευεργετική επίδραση στην απόδοση των ασυρμάτων δικτύων αισθητήρων και ιδιαίτερα σε αυτά στα οποία υπάρχει υψηλή κίνηση δεδομένων. / Wireless sensor networks are typically consisted of hundreds of nodes which generate a high volume of network traffic. Therefore, taking into account the multi-hop communication architecture that is most commonly used in said networks, bottlenecks are bound to appear in parts of the system. Those bottlenecks, also referred to as network congestion, can have a vast effect on network performance and, given the constricted resources of WSNs nodes, result in the system failing to serve its purpose. Consequently, special care should be taken to avoid or alleviate the problem of congestion, by developing specific algorithms and methods. Our study aims to lessen the effect of congestion in WSNs by studying, implementing and evaluating techniques of congestion avoidance. In the context of this study, we designed and implemented an innovative congestion avoidance method which can successfully handle three different packet priorities thus naming it Priority Based Congestion Avoidance Technique (PB-CAT). PB-CAT uses an advanced mechanism of packet delay and merging in order to reduce the total transmissions and heighten the optimal use of the communication medium, resulting in improved network performance. In order to evaluate our method, we implemented it using the Contiki OS and performed extensive simulations in the Cooja network simulator. The simulation results presented a clear improvement of the network metrics while the proposed technique was in use, particularly, in sensor networks with a high volume of traffic, where we observed a considerable amount of enhancement in the quality of the network operation.

Ερευνητικό αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας αποτελεί η μελέτη της χρήσης ασύρματου δικτύου αισθητήρων για τον έλεγχο και την ολοκλήρωση της αποστολής ενός κινούμενου ρομποτικού οχήματος σε κάποιο άγνωστο περιβάλλον. / This diplomatic project has to do with the research about how a wireless network of sensor is able to cooperate with a mobile robot in order to accomplish a mission.

Ο ανερχόμενος κλάδος των ασύρματων δικτύων αισθητήρων (Wireless Sensor Networks - WSNs) συνδυάζει δυνατότητα αίσθησης, υπολογισμού και επικοινωνίας σε μια μικρή συσκευή. Ενώ οι δυνατότητες ενός και μόνο κόμβου – αισθητήρα (mote) είναι ελάχιστες, η συνύπαρξη πολλών τέτοιων συσκευών δικτυακά συνδεδεμένων μπορεί να οδηγήσουν σε νέες τεχνολογικές δυνατότητες. Κύριος στόχος αυτών των μικρών συσκευών – κόμβων είναι η δειγματοληψία διάφορων φυσικών μεγεθών, η επεξεργασία αυτών των μεγεθών – μετρήσεων και τέλος, η επικοινωνία του κάθε κόμβου με άλλους με στόχο την μετάδοση αυτών των μετρήσεων – πληροφορίας ασφαλώς και αξιόπιστα. Τα κύρια χαρακτηριστικά αυτών των κόμβων όπως, μικρό μέγεθος, χαμηλό κόστος, αυτονομία και δυνατότητα επικοινωνίας είναι που τα κάνουν τόσο ευέλικτα προσδίδοντας έτσι τη δυνατότητα για ανάπτυξη και υλοποίηση χιλιάδων εφαρμογών. Τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων μπορούν να συμβάλουν σε κρίσιμες εφαρμογές που δεν περιορίζονται αποκλειστικά στον ερευνητικό και επιστημονικό χώρο αλλά επεκτείνονται και στον χώρο της υγείας και της ασφάλειας, όπως παρακολούθηση και επίβλεψη ασθενών, πρόβλεψη και αντιμετώπιση φυσικών καταστροφών, οικιακές εφαρμογές, και στοχεύουν στην βελτίωση της ποιότητας ζωής του ατόμου και της κοινωνίας ως σύνολο. Στο πλαίσιο της παρούσας διπλωματικής εργασίας έγινε προσπάθεια προσέγγισης μιας ανεξερεύνητης έως τώρα σε βάθος εφαρμογής Ασυρμάτων Δικτύων Αισθητήρων, των λεγόμενων «έξυπνων» πόλεων, ως προς τις επικοινωνιακές απαιτήσεις και τους περιορισμούς που θέτει και μια προσπάθεια καταγραφής και αξιολόγησης της απόδοσης και της συμπεριφοράς WSN τεχνολογιών υλικού και επικοινωνιακών τεχνικών σε σχέση με τις απαιτήσεις και τους περιορισμούς αυτούς. Παρουσιάζονται πειραματικά δεδομένα από μετρήσεις που διεξήχθησαν σε εξωτερικό περιβάλλον και εξάγονται χρήσιμα συμπεράσματα σχετικά με μελλοντικές κατευθύνσεις. / The increasingly interesting research field of Wireless Sensor Networks combines the possibility of sensing, computing and networking in a small device. While the capabilities of a single sensor node are limited, the combination of multiple such devices communicating over a network may lead to new technological possibilities and challenges. The main goal of these device nodes is the sampling of several physical values, their processing and the communication of the results to other nodes in a safe and reliable way. The main characteristics of wireless sensor nodes such as the small size, the low cost, autonomy and communication capacity render them flexible and suitable for the development of thousands of applications. Wireless sensor networks are most popular for critical applications that go beyond the research and scientific domain expanding to health, environment and security application classes, like surveillance, patient monitoring, natural disaster prediction and home applications, targeted to improve the quality of life of a single person and of society in general. In the context of this master thesis, the state of the art of a WSN application has been investigated, namely smart cities application field, with respect to the imposed networking requirements and communicational restrictions as well as the analysis and evaluation of the behavioral performance of WSN hardware and communication technologies as far as these requirements and limits are concerned. Finally, experimental results are presented based on measurements conducted outdoors and useful conclusions are extracted forming a future roadmap.

Computers and their constituent electronics continue to shrink. The same amount of work can be done with increasingly smaller and cheaper components that need less power to function than before. In wireless sensor networks, the energy needed by one sensor node borders the amount that is already present in its immediate surroundings. Equipping the electronics with a micro generator or energy harvester gives the possibility that it can become self-sufficient in energy. In this thesis two kinds of energy harvesters are investigated. One absorbs vibrations and converts them into electricity by means of piezo-electricity. The other converts heat flow through a semiconductor to electricity, utilizing a thermoelectric effect. Principles governing the performance, actual performance of off-the-shelf components and design considerations of the energy harvester have been treated. The thermoelectric micro generator has been measured to output power at 2.7 mW and 20°C with a load of 10 W. The piezoelectric micro generator has been measured to output power at 2.3 mW at 56.1 Hz, with a mechanical trim weight and a load of 565 W. In these conditions the power density of the generators lies between 2-3 W/m2.