Thesis (Ph.D.)--Electrical and Computer Engineering, Georgia Institute of Technology, 2008. / Committee Chair: Abler, Randal T.; Committee Member: Copeland, John A.; Committee Member: Haas, Kevin; Committee Member: Moore II, Elliot; Committee Member: Owen III, Henry L.

Thesis (M. S.)--Electrical and Computer Engineering, Georgia Institute of Technology, 2009. / Committee Chair: Dr. Manos Tentzeris; Committee Member: Dr. Gregory Durgin; Committee Member: Dr. Joy Laskar.

Thesis (M.S.)--Rochester Institute of Technology, 2006. / Typescript. Includes bibliographical references (leaves 62-65).

Thesis (M.S.)--Rochester Institute of Technology, 2007. / Typescript. Includes bibliographical references (leaves 65-67).

Η παρούσα μεταπτυχιακή εργασία καταπιάνεται με την περιοχή των Aσύρματων Δικτύων Αισθητήρων και τα προβλήματα που αυτά αντιμετωπίζουν στην αποδοτική δρομολόγηση της πληροφορίας. Τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων είναι πολύπλοκα συστήματα που αποτελούνται από έναν αριθμό από σχετικά απλές και αυτόνομες συσκευές αίσθησης, οι οποίες αναπτύσσονται σε μια γεωγραφική περιοχή. Η ιδιομορφία των συσκευών αυτών έγκειται στο ότι αντιμετωπίζουν περιορισμούς όσων αφορά τόσο το ενεργειακό τους απόθεμα και συνεπώς την επιχειρησιακή ζωή τους, όσο και στις ικανότητές τους να επεξεργάζονται, αποθηκεύουν και zεκπέμπουν πληροφορία. Η χρησιμότητα των Ασύρματων Δικτύων Αισθητήρων (ΑΔΑ) στηρίζεται στην ικανότητά τους να αναπτύσσονται εύκολα και σχετικά φθηνά, σε μια περιοχή ενδιαφέροντος στην οποία και παρακολουθούν κάποιο συγκεκριμένο φαινόμενο. Επιπλέον φροντίζουν να ενημερώνουν τους σταθμούς βάσης για την κατάσταση και την εξέλιξη του φαινομένου. Στο πλαίσιο αυτό έχουν αναπτυχθεί μια σειρά από αρχιτεκτονικές ασύρματων αισθητήριων κόμβων αλλά και ποικίλα πρωτόκολλα επικοινωνίας αυτών, τα οποία τα δομούν σε δίκτυα. Η συνεισφορά μας έγκειται στην πρόταση τριών νέων πρωτοκόλλων επικοινωνίας για τα ΑΔΑ τα οποία προσπαθούν να εφαρμόσουν την ιδέα της Δικαιοσύνης επιδιώκοντας να βελτιώσουν τόσο την απόδοση των ΑΔΑ όσο και να επιμηκύνουν την επιχειρησιακή τους ζωή. Τα πρωτόκολλα που παρουσιάζουμε άντλησαν την έμπνευσή τους από το πρωτόκολλο PFR (Πρωτόκολλο Πιθανοτικής Προώθησης των Χατζηγιαννάκη, Δημητρίου, Νικολετσέα και Σπυράκη). Όλα τα προτεινόμενα πρωτόκολλα κατηγοριοποιούνται στο επίπεδο Δικτύου του μοντέλου OSI. / This MSc thesis is about Wireless Sensor Networks and focuses on the problems these networks face in order to route information efficiently Wireless Sensor Networks (WSNs) are complex systems which consist of a number of relative simple autonomous sensing devices. These devices are deployed on a geographical area. The particularity of them lies on the fact that they face serious limitations concerning their energy reserves and consequently their operational life as well as regarding their computational, storage and communication capabilities. WSN's usefulness is mainly about its ability of easy and cheap deployment on an area of concern, where it monitors a particular phenomenon. Moreover the WSN's nodes take the initiative to inform certain base stations regarding the status and evolution of this phenomenon. In this context there is a great volume of work in relation to sensor node architectures and communication protocols which turn these numbers of devices to working networks. Our contribution sums up to the proposal of three novel communication protocols for WSNs, which attempt to enforce the idea of Fairness in order to better WSN�s performance and elongate their life. These protocols are highly influenced by PFR protocol introduced by Chatzigiannakis, Demetriou, Nikoletseas and Spirakis. All the proposed protocols belong to the network layer of the OSI standard.

Στην παρούσα εργασία έγινε μια πρώτη προσπάθεια ενασχόλησης με τα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων, πιο γνωστά στον επιστημονικό κόσμο ως Wireless Sensor Networks ή WSNs. Μελετήσαμε τα βασικά χαρακτηριστικά των δικτύων αυτών, όπως οι τοπολογίες τους και η αρχιτεκτονική τους. Επίσης, μελετήσαμε την αρχιτεκτονική των ασύρματων κόμβων που απαρτίζουν το δίκτυο, που είναι γνωστά σαν motes. Τα motes έχουν την ικανότητα τοπικής επεξεργασίας των δεδομένων που συλλέγουν και την ασύρματη μετάδοσή τους σε έναν κεντρικό σταθμό για περαιτέρω επεξεργασία. Τη λειτουργία αυτή διεκπαιρεώνει μια μονάδα μικροεπεξεργαστή με τη χρήση ενός ολοκληρωμένου chip για την ασύρματη μετάδοση. Για τη συλλογή των μετρήσεων μπορούν να φιλοξενήσουν διάφορες πλατφόρμες ψηφιακών αισθητήρων. Στην παρούσα εργασία έγινε χρήση της υπολογιστικής μονάδας micaz και της πλατφόρμας αισθητήρων MTS400/420. Οι πλατφόρμες αυτές φιλοξενούν αισθητήρες υγρασίας/θερμοκρασίας, βαρομετρικής πίεσης/θερμοκρασίας, φωτεινότητας, μέτρησης δονήσεων και ειδικά η 420 πλατφόρμα έχει υποδοχή και για μονάδα GPS. Σκοπός μας ήταν η ανάπτυξη ενός γραφικού περιβάλλοντος μέσω του οποίου θα απεικονίζαμε τις μετρήσεις που έστελναν στον υπολογιστή τα motes. Η ανάπτυξη του γραφικού περιβάλλοντος έγινε στο Matlab. Για το σκοπό αυτό, ήταν απαραίτητη η σύνδεση ενός mote στον υπολογιστή που θα λειτουργούσε σαν ενδιάμεσος αποδέκτης των δεδομένων και θα τα προωθούσε στον υπολογιστή μέσω της σειριακής θύρας. Για την προβολή και αποθήκευση των δεδομένων στον υπολογιστή, έγινε χρήση του interface Χlisten. / At this thesis there was a first attempt of occupation with Wireless Sensor Networks, most kown to the scientific world as WSNs. We studied the basic characteristics of these networks such as topologies and architecture. We also studied the architecture of the wireless nodes which form the network, also known as motes.The motes have the ability of local data computation and the wireless transmition of them to a base station, where they can further processed. This ability is performed by a microprocessor unit with the use of a single integrated chip responsible for the radio transmition. The data collection can be performed by many digital sensor platforms. At this paper, it has been used the micaz computional unit and the MTS400/420 sensor platform of Crossbow company. These platforms are integrated with sensors that measure relative humidity/temperature, barometric pressure/temperature, illumination, acceleration on axis x and y and especially the 420 platform can integrate a GPS module. Our goal is the development of a Graphical User Interface (GUI) through which we can plot the data that the sensors would send. The development of GUI made with Matlab. For this purpose, it was necessary the connection of a mote to the computer, that would behave like an intermediate receiver and would forward the data packets to the computer through the serial port. The MIB520 board was used for this purpose. For the data projection and saving to the computer, the xlisten interface was used.

Τις τελευταίες δεκαετίες ο όρος τεχνολογία έχει συνδεθεί στενά με την επιστήμη των υπολογιστών και την επεξεργασία της πληροφορίας. Από την στιγμή που η πληροφορία έχει πάρει ψηφιακή μορφή γίνεται ευκολότερη η επεξεργασία της, γεγονός που δημιουργεί ολοένα και υψηλότερες απαιτήσεις στην διαδικασία μεταφοράς της. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την υλοποίηση δικτύων υπολογιστών μέσω -συνδυασμού ή όχι - ενσύρματων, ασύρματων ή οπτικών καναλιών μετάδοσης. Η εξέλιξη των τελευταίων χρόνων ειδικότερα στον χώρο των ασύρματων τηλεπικοινωνιών και ηλεκτρονικών, έχει ανοίξει τον δρόμο για την δημιουργία ασύρματων δικτύων αισθητήρων – WSN (Wireless Sensor Networks) χαμηλού κόστους. Ένα τέτοιο δίκτυο αποτελείται από ένα σύνολο κόμβων (nodes) πυκνά τοποθετημένων μεταξύ τους. Κάθε ένας από αυτούς αποτελείται από μια διάταξη αισθητήρων και έναν μικροελεγκτή. Με αυτόν τον τρόπο έχει την δυνατότητα να υλοποιεί απλούς υπολογισμούς και να στέλνει τα απαραίτητα μηνύματα στο δίκτυο. Η μεταφορά των μηνυμάτων ακολουθεί τυχαία ή προκαθορισμένη διαδρομή (routing) με απόσταση έναν κόμβο τη φορά (one hop). Μέσα από μια σειρά τέτοιων μεταφορών (multi-hop), τα δεδομένα που συλλέγονται από τους κόμβους φθάνουν στον κεντρικό υπολογιστή για την τελική επεξεργασία και απεικόνιση. Τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές που έχουν σχέση με την παρατήρηση και καταγραφή φυσικών φαινόμενων, ή ανίχνευση συμβάντων (event – driven). / The last decades the term “technology” has been closely related to the computers science and the process of information. By the time information has had a digital form its process has become easier, something that creates more demands at the process of its transfer. This results to the computer networks – combining or not – wired, wireless or fiber optics. Last year’s development especially in the field of wireless telecommunications has helped the creation of WSN (Wireless Sensor Networks) of low cost. Such a network is consisted of a set of nodes closely located. Each one is consisted of an arrangement of sensors and a microcontroller, having the potential to carry out simple calculations and sending the required data to the network. This transmission follows a random or a predetermined routing with one hop distance. The data collected from the nodes reach the central computer for the final process and depiction through a series of multi-hop. The Wireless Sensor Networks are utilized in applications related to the observation of natural phenomena or tracing events (event-driven).

Ο συνεχώς αυξανόμενος κλάδος των ασύρματων δικτύων αισθητήρων συνδυάζει αρμονικά την επιστήμη των μικροϋπολογιστών με την επιστήμη των τηλεπικοινωνιών με έναν κοινό στόχο. Ο στόχος αυτός είναι η υλοποίηση μίας κατανεμημένης διεργασίας, η οποία περιλαμβάνει μέτρηση σημάτων από αισθητήρες, επεξεργασία της μέτρησης και αποστολή αυτής στο δίκτυο για περαιτέρω επεξεργασία με όσο δυνατόν μεγαλύτερη αξιοπιστία και μικρότερο κόστος σε επεξεργαστική ισχύ και ενέργεια. Οι εφαρμογές που μπορούν να προκύψουν είναι αναρίθμητες και περιορίζονται μόνο από την φαντασία του μηχανικού. Ενδεικτικοί τομείς εφαρμογής είναι η υγεία, τα αμυντικά συστήματα, η βιομηχανία, το περιβάλλον και άλλοι. Στην εργασία αυτή θα επικεντρωθούμε στον τομέα του περιβάλλοντος και πιο συγκεκριμένα στην ανίχνευση δασικών πυρκαγιών. Τα προβλήματα που προκύπτουν και επιβάλλουν επίλυση είναι το πρόβλημα της εύρεσης αξιόπιστης μεθόδου ανίχνευσης πυρκαγιάς και το πρόβλημα της επιλογής κατάλληλου πρωτοκόλλου δρομολόγησης που θα εκπληρώσει το επικοινωνιακό έργο. / --

Τα Wireless Sensor Networks (WSNs) είναι μια σχετικά νέα τεχνολογία, της οποίας η σημαντικότητα έχει αναγνωριστεί από την επιστημονική κοινότητα και έχει προοπτικές για εφαρμογή σε πολλές περιπτώσεις που απαιτείται επίβλεψη και έλεγχος σε μεγάλες εκτάσεις, όπως ο έλεγχος καλής λειτουργίας κτηρίων και κατασκευών, παρακολούθηση στρατιωτικών περιοχών, παρακολούθηση και έλεγχος καλλιεργειών ή ακόμα και επίβλεψη της υγείας ενός ασθενούς. Είναι προφανές πως σε πολλά από αυτά τα σενάρια εφαρμογών τα δεδομένα που αποκτώνται και ανταλλάσσονται μέσα σε αυτά τα δίκτυα είναι ευαίσθητα και η απόκρυψή τους από τρίτους, καθώς και η αποτροπή προσθήκης ψευδών δεδομένων από τρίτους είναι υψίστης σημασίας. Καθώς όμως τα δίκτυα αυτά αποτελούνται από χαμηλής υπολογιστικής δυνατότητας κόμβους, (τόσο λόγω οικονομίας, ώστε, δεδομένου του αριθμού των κόμβων που απαιτούνται για τέτοιες εφαρμογές, το κόστος να κρατηθεί σε λογικά επίπεδα, όσο και για λόγους κατανάλωσης ενέργειας) απαιτείται η χρήση αλγορίθμων ασφαλείας μικρών υπολογιστικών και επικοινωνιακών απαιτήσεων. Για την επίτευξη ασφαλούς επικοινωνίας μεταξύ των κόμβων με μικρή υπολογιστική επιβάρυνση, υλοποιούνται συμμετρικοί αλγόριθμοι κρυπτογραφίας, και για τη διαχείριση των κλειδιών κρυπτογραφίας το πρωτόκολλο διαχείρισης κλειδιών S2RP, το οποίο καθορίζει μεθόδους διανομής, αλλά και ακύρωσης συμμετρικών κλειδιών. Το πρωτόκολλο αυτό μπορεί να διατηρήσει προς τα εμπρός και προς τα πίσω ασφάλεια (ασφάλεια των μελλοντικών μεταδόσεων, και ασφάλεια των δεδομένων που έχουν ήδη μεταδοθεί αντίστοιχα) των δεδομένων σε δυναμικά μεταβαλλόμενες τοπολογίες (πχ. πρόσθεση νέου κόμβου ή ανακάλυψη εκτεθειμένου κόμβου που πρέπει να αφαιρεθεί από την τοπολογία). Στο πλαίσιο της εργασίας, έγινε υλοποίηση του πρωτοκόλλου S2RP, καθώς και κρυπτογραφικών αλγορίθμων που απαιτούνται για την εφαρμογή του. Η υλοποίηση έγινε αρχικά σε ένα γραφικό περιβάλλον εξομοίωσης, που δημιουργήθηκε για τον έλεγχο του πρωτοκόλλου σε επίπεδο πακέτου, ενώ στη συνέχεια έγινε μεταφορά του πρωτοκόλλου σε δίκτυο από ασύρματους αισθητήρες TelosB. / Wireless Sensor Networks (WSNs) are a relatively new technology, the importance of which is widely recognized in academia. They have great potential for use in applications requiring monitoring and control over large areas, like integrity and operational monitoring of buildings and structures, military surveillance, crop monitoring or even health monitoring. It is obvious that the data transfered in most of these applications are of a sensitive nature, and preventing a third party from accessing that data, or injecting its own forged data in the network is of utmost importance. However, because of the low computational power and network performance of these networks' nodes (which is due to economic reasons - so as to keep cost in reasonable levels in high node count networks, as well as for energy consumption reasons), the use of algorithms and protocols of low computational and communication requirements is mandatory. To achieve secure communication between the nodes of a such network, we implement symmetric key cryptographic algorithms, and the protocol S2RP (Secure and Scalable Rekeying Protocol) for key management. S2RP defines procedures for key distribution and revocation, with the use of which it can maintain forward and backward communication security (e.g. connection of a new node, or discovery of an exposed node, which must be removed) for dynamic network topologies. For the purpose of this thesis, we implemented the S2RP protocol, as well as the additional cryptographic primitives that are needed to achieve secure communication in a network. The implementation was initially made within a graphical simulator, which we implemented to test the protocol in the packet level. Finally, we ported the protocol to a network of TelosB motes.

Στην παρούσα μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία μελετάται ο σχεδιασμός, η ανάπτυξη, η εγκατάσταση και λειτουργία ολοκληρωμένων εφαρμογών δίαχυτου υπολογισμού με χρήση ετερογενών ασυρμάτων αισθητήρων. Η ασύρματη επικοινωνία ετερογενών συσκευών σε ένα διάχυτο σύστημα παρουσιάζει σημαντικά προβλήματα καθώς χρησιμοποιούνται συσκευές με εντελώς διαφορετική αρχιτεκτονική, διαφορετικά χαρακτηριστικά και διαφορετικές δυνατότητες όσον αφορά τις τεχνολογίες που υποστηρίζουν για την υλοποίηση εφαρμογών σε αυτές. Αρχικά εστιάζουμε στον εντοπισμό των αιτιών που δεν επιτρέπουν την ασύρματη επικοινωνία των συσκευών και προτείνουμε συγκεκριμένες λύσεις. Προτείνουμε επίσης, μια αρχιτεκτονική ενός συγκεκριμένου συστήματος η οποία βασίζεται σε μια ιεραρχία επιπέδων προσφέροντας επεκτασιμότητα καθώς επίσης και χρήση διαφορετικών συσκευών.Για την μελέτη της συμπεριφοράς του συστήματος αναπτύσσονται συγκεκριμένες εφαρμογές οι οποίες παρουσιάζουν τις δυνατότητες του. / Within the scope of this MSc dissertation, we discuss the design and implementation of pervasive applications on top of heterogeneous wireless sensor network environment. The wireless communication between heterogeneous devices is an inherently difficult research problem due to fundamental differences in system architecture, properties and capabilities of the these devices. Initially, our research focused on the identification of the problems related to the intercommunication among the devices of a heterogeneous wireless sensor network. As a solution, we propose a new abstract system that provides the key qualities needed for a successful pervasive system; expandability, scalability and performance. The new architecture achieves interoperability among the devices by introducing abstraction in the communication protocol. In order to demonstrate the applicability of our system we include various representative use case scenarios, that illustrate the usage of our infrastructure.