Le paradigme d'Internet des objets (IdO) envisage d'augmenter l'Internet actuel avec un grand nombre de dispositifs intelligents communicants. Les réseaux de capteurs sans fil (RCsF) déploient les appareils fonctionnant sur les approvisionnements énergétiques maigres et mesurent les phénomènes environnementaux (comme la température, la radioactivité, ou CO2). Les applications populaires de réseaux de capteurs sans fil comprennent la surveillance, la télémétrie et la prévention des catastrophes naturelles. Les majeurs défis de réseaux de capteurs consistent à: comment obtenir l'efficacité énergétique? Comment surmonter les déficiences de support sans fil? et comment les faire fonctionner d'une manière auto-organisée? L'intégration de réseaux de capteurs dans IoD s'appuiera sur un ensemble de standards ouverts qui s'efforcent d'offrir le passage à l'échelle, la fiabilité dans une variété des conditions, et les scénarios d'exploitation. Néanmoins, les standards dans leur état actuel ont des problèmes d'interopérabilité et peuvent bénéficier de nouvelles améliorations. Les contributions de la thèse sont les suivantes: • Nous avons mené une analyse expérimentale et identifié les caractéristiques d'un environnement de réseau de capteurs. Notre analyse a porté sur la modélisation des liens et la dynamique du réseau, ainsi que la corrélation des liens avec les paramètres environnementaux. L'étude analytique nous a permis d'identifier les principales faiblesses de l'environnement du RCsF et a permis aussi d'obtenir une meilleure compréhension de la dynamique de lien radio et le voisinage des nœuds. • Nous avons confrontés la question de l'interopérabilité des deux principaux standards - IEEE 802.15.4 dans la couche de contrôle d'accès au medium, et RPL dans la couche de transport. Nous proposons d'adapter la structure originale de cluster tree et de construire un framework élégant, qui permettra le fonctionnement conjoint de l'IEEE 802.15.4 et RPL sans l'apparition des collisions. En outre, nous évaluons à travers de nombreuses simulations les deux algorithmes distribués d'attribution de slots. Ces algorithmes permettront d'atteindre un fonctionnement presque sans collisions. • Nous proposons une solution inter-couche distribuée dans le but de construire une topologie afin que IEEE 802.15.4 et RPL puissent fonctionner ensemble. Notre algorithme auto-organisé obtient une structure topologique obéissante aux recommandations globales, cela, par la seule utilisation des métriques mesurées localement. De nombreuses simulations démontrent les avantages de la structure résultante en termes de convergence de temps, de stabilité, et d'efficacité énergétique dans le long terme. Les simulations démontrent aussi un impact positif sur les performances de routage. • Nous proposons un ensemble de nouveaux mécanismes qui permettront d'améliorer les performances de RPL et d'utiliser la Qualité de Service pour gérer les problèmes de trafic sensible. Notre extension de routage opportuniste et multi-chemin contribue à améliorer la livraison des paquets avant une date limite, tout en minimisant le surcout et la consommation d'énergie par rapport à la version de base de RPL. / Internet of Things (IoT) paradigm envisages expanding the current Internet with a huge number of the intelligent communicating devices. Wireless Sensor Networks (WSN) deploys the devices running on the meager energy supplies, and measuring environmental phenomena (like temperature, radioactivity, or CO2). WSN popular applications include monitoring, telemetry, and natural disaster prevention. Major WSN challenges are how to allow energy efficiency, overcome impairments of wireless medium, and operate in the self-organized manner. The WSN integrating IoT will rely on a set of the open standards striving to offer scalability, reliability in a variety of the operating scenarios and conditions. Nevertheless, the current state of the standards has interoperability issues and can benefit from further improvements. The contributions of the thesis work are: • We conducted an experimental analysis and characterization of a WSN environment. Our analysis included the link characterization, correlation with environmental parameters as well as network dynamics. Analytical study allowed us to identify key weaknesses of the WSN environment as well a get a better understanding of the dynamics—both link and node neighborhood related. • We confront the interoperability issue of the leading IEEE 802.15.4 standard on the Medium Access Control layer and RPL standard on the transport layer. We propose to accommodate the original cluster-tree structure and to build an elegant framework for collision free multi-hop operation of the IEEE 802.15.4 that will allow RPL to run on top of it. Furthermore, we evaluate through extensive simulations two distributed schemes that achieve near collision free self-organization of the nodes. • We propose a distributed cross-layer convergecast topology construction within the joint IEEE 802.15.4 and RPL framework. Self-organization scheme obtains a topological structure obeying the global recommendations by the sole use of locally measured metrics. Extensive simulations demonstrate the advantages of the resulting structure in terms of convergence time, stability, and energy efficiency in long term and a positive impact on the routing performances. • We propose a set of new mechanisms that will improve RPL performances and enable Quality of Service operation that will handle delay sensitive traffic. Our multi-path opportunistic routing extension helps to improve packet delivery before a deadline, while minimizing overhead and energy consumption compared to the basic version of RPL.STAR

Dans cette thèse, nous nous intéressons à plusieurs méthodes pour améliorer la sécurité des réseaux sans fil ad-hoc. Ces réseaux, ainsi que la sous-famille des réseaux de capteurs sans fil, sont une des solutions les plus intéressantes pour de nombreux problèmes, comme par exemple la collecte de données dans une large zone, ou bien la création d'infrastructure de communication après une catastrophe. Ces réseaux sont par nature collaboratifs, ce qui les rend très vulnérables à d'éventuels attaquants. Pour les protéger, nous étudions la sécurité des protocoles conçus pour ces réseaux. Premièrement, nous proposons SR3 (pour Secure and Resilient Reputation-based Routing), un algorithme de routage sécurisé et résilient pour le routage convergent (tous-vers-un) dans les réseaux de capteurs sans fil. SR3 route ses messages selon une mesure de réputation qui est bâtie sur des informations fiables. Ce protocole garantit la confidentialité de ses données, et l'inforgeabilité de ses paquets. Nous avons prouvé formellement ces propriétés avec deux outils de vérification : Scyther et CryptoVerif. Nous avons montré expérimentalement la résilience de SR3 quand confronté à divers scénarios d'attaque, et nous avons comparé nos résultats à plusieurs algorithmes de routage de la litérature. L'évaluation a montré que la résilience et l'équité fournies par SR3 sont meilleures que celles des autres protocoles, et cette distinction est accentuée si le réseau est peu dense. De plus, et contrairement aux autres protocoles, SR3 est capable de s'auto-adapter aux changements de comportement des attaquants afin d'assurer une qualité de service satisfaisante. Les analyses de la sécurité des protocoles de routage reposent presque toujourssur des simulations, qui évaluent la capacité du protocole à délivrer ses messages aux bons noeuds. Il existe plusieurs définitions différentes pour concevoir la sécurité du routage, mais à notre connaissance, elles considèrent seulement les protocoles de source routing, où les routes sont déterminées avant que le message ne soit envoyé. Nous proposons la notion de corruptibilité, une définition calculatoire et quantitative pour la sécurité du routage basée sur la capacité d'un attaquant à altérer les routes empruntées par un message. Nous illustrons ensuite ces définitions par plusieurs analyses de protocoles. Enfin, nous étudions les systèmes de détection d'intrusions (IDS) pour réseaux sans fil ad-hoc, et plus spécifiquement les sources de données utilisées pour leurs mécanismes de décision. Nous classifions celles-ci en fonction du niveau de coopération qu'elles requièrent, et en fonction de l'origine de leurs données. Nous proposons ensuite InDICE, un outil d'aide à la décision qui étant donné un IDS, permet de découvrir automatiquement quelles attaques seront indétectables par les sources de données qu'utilise cet IDS. Enfin, nous utilisons cet outil pour découvrir deux vulnérabilités dans des IDS de la littérature. / In this document, we focus on ways of increasing the security of wireless ad-hoc networks. These networks, and more specifically wireless sensor networks, look increasingly like the right answer to a lot of problem, such as data collection over a large area, or providing emergency network infrastructure after a disaster. They are also inherently exposed to malicious intents due to their collaborative nature. In order to protect them, we focus on the security aspects of the protocols built for these networks. We first propose a Secure and Resilient Reputation-based Routing protocol, called SR3. This protocol routes messages according to a reputation metric built using only trusted information. This protocol achieves data confidentiality and data packet unforgeability, which we prove formally using two verification tools: CryptoVerif and Scyther. We experimentally show the resiliency of SR3 against various attack scenarios, and we compared our results to several routing algorithms of the literature. This evaluation shows that both the resiliency and fairness accomplished by SR3 are better than for those others protocols, especially when the network is sparse. Moreover, and unlike previous solutions, if the compromised nodes behavior changes, then SR3 will self-adapt in order to ensure an acceptable quality of service. Analyses of routing protocols security are nearly always supported by simulations, which often evaluate the ability to deliver messages to a given destination. Several competing definitions for secure routing exist, but to our knowledge, they only address source routing protocols. We propose the notion of incorruptibility, a quantitative computational definition for routing security based on the attacker's ability to alter the routes used by messages. These definitions are then illustrated with several routing algorithms. Finally, we study Intrusion Detection Systems (IDS) for WANET, and more specifically their inputs. These systems provide a supplementary layer of defenses for WANETs, and they are able to easily detect attacks who are complicated for the network protocols. We classify the different inputs used by the decision process of these IDS, according to their level of required cooperation, and the source of their data. We then propose the InDICE tool, a decision aid which, given an IDS, allows automated discovery of undetectable attacks according to the inputs used by that IDS. In the end, we apply our framework to discover weaknesses in two existing IDS.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:22:34Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2011-01-24Bitstream added on 2014-06-13T20:48:01Z : No. of bitstreams: 1 pinheiro_jrg_me_bauru.pdf: 4191682 bytes, checksum: d4e7ba9da361bba449aa5305e441f61c (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / O sistema de distribuiçã de energia elétrica no Brasil é constituído, na grande maioria, de alimentadores aéreos na classe 15 kV sujeitos a muitos tipos de defeitos. Embora existam muitos trabalhos propondo técnicas para a identificação e a localização das faltas, a maioria deles foi desenvolvida objetivando as redes de transmissão pouco ramificadas. Em se tratando de redes muito ramificadas e extensas, características princiapais de redes de distribuição elétrica, esses métodos não apresentam alta confiabilidade e segurança em termos de detecção, dificultando a localização das faltas. Este trabalho tem como objetivo descrever o desenvolvimento de um sistema de medição de baixo custo voltado para a monitoração de alimentadores aéreosm de distribuição de energia elétrica, que possibilite a identificação e a localização de faltas bem como a avaliação da qualidade da energia elétrica fornecida. Para tal, uma rede de sensores sem fio no padrão IEEE 802.15.4 é utilizada para adquirir os dados de tensão e corrente de cada frase e, a partir do processamento dessas informações, possibilitar a identificação de um ramal sob falta e a determinação do seu tipo. Com a instação de mediadores em pontos onde a rede de distribuição se ramifica, o ramal sob falta pode ser localizado, reduzindo assim o tempo de desligamento e os custos de manutenção / The system of eletrecity distribution in Brazil is made mostly of air handlers in the class 15 kV, subject to many kinds of defects. Although there are many papers proposing techniques for the identification and location of faults, most of them were developed aiming at the broadcast networks little branched. In terms of networks very extensive and branched, like in distribution networks, these methods have low reliability and safety in terms of detection, makind the location of faults difficult. This paper aims to describe the development of a measurment system focused on low-cost monitoring of overhead distribution feeders of electricity, allowing for the identification and location of faults and the quality of power supplied. For this purpose, a network of wireless sensors on the IEEE 208.15.4 is used for data acquisition of each phase voltage and current and from the processing of such information is possible to determine a faulted extension and identification of its type. With the installation of meters at points where the distribution networks branches, the faulted extension can be located, thereby reducing the shutdown time and maintenance costs

Orientador: Jozué Vieira Filho / Co-orientador: Fabricio Guimarães Baptista / Banca: Vicente Lopes Junior / Banca: Ricardo Tokio Higuti / Banca: Domingos Alves Rade / Banca: Roberto Gil Annes da Silva / Resumo: O monitoramento de integridade estrutural tem atraído o interesse de muitos pesquisadores ao longo das últimas décadas. Com os recentes avanços na tecnologia de comunicação sem fio, as redes sem fio podem, potencialmente, oferecer uma alternativa de baixo custo para seus homólogos tradicionais baseados em cabo. Neste trabalho apresenta-se o desenvolvimento e implementação de um novo sistema de monitoramento de integridade estrutural sem fio baseado em um promissor e simples método para detectar dano em estruturas usando o princípio da impedância eletromecânica. O sistema proposto consiste de uma rede de sensores sem fio, escalável e de baixa potência; composta por nós sensores inteligentes, um nó de enlace e um centro de monitoramento remoto. O nó de enlace é usado como coordenador de uma rede ZigBee composta por múltiplos nós sensores inteligentes; e como um gateway para integrar a rede ZigBee com o centro de monitoramento remoto via uma rede GSM/GPRS e/ou um servidor HTTP. O nó sensor inteligente, baseado em microcontrolador, é um núcleo portátil, autônomo, realiza automaticamente a compensação das medições com variações da temperatura ambiente, pode controlar vários sensores e opera em modo local ou remoto. A identificação de dano é realizada mediante simples análise nas variações da tensão eficaz do sinal de resposta de transdutores piezelétricos, tais como cerâmicas de titanato zirconato de chumbo (PZT) colados à estrutura, obtidos no domínio do tempo para diferentes frequências do sinal de excitação, sendo que não é necessário calcular a impedância eletromecânica. A compensação dos efeitos da temperatura é realizada utilizando os coeficientes de correlação para calcular o valor efetivo do deslocamento de frequência a partir das assinaturas coletadas. Experimentos foram realizados com sucesso em uma estrutura de alumínio, variando a temperatura na faixa de 0oC-60oC; os resultados... / Abstract: Structural health monitoring have attracted much research interest over the last few decades. With recent advances in wireless communication technology, wireless networks can potentially offer a low-cost alternative to traditional cable-based sensing systems. This work presents the design and implementation of a novel wireless structural health monitoring system based on a promising and simple method to detect damage in structures using the electromechanical impedance principle. The proposed system is a wireless low-power scalable sensor network composed of smart sensor nodes, a link node and a remote monitoring center (host node and server). The link node is used as the coordinator of a ZigBee network of multiple smart sensor nodes; and as a gateway to integrate ZigBee network with the remote monitoring center via a GSM/GPRS network and/or an HTTP server. The smart sensor node, based on microcontroller, is a portable core, standalone, which automatically compensates measurements with environment temperature variation, may control various sensors and operates in either local or remote mode. The identification of damage is performed by simply analyzing the variations of root mean square voltage of the response signals from piezoelectric transducers, such as PZT (Lead Zirconate Titanate) patches bonded to the structure, obtained for different frequencies of excitation signals in time domain, and it is not necessary to compute the electromechanical impedance. The temperature compensation is performed using the correlation coefficients to compute the effective frequency displacement value from the data signatures. Experiments were successfully performed on an aluminum structure and temperature varying from 0oC to 60oC; the results indicate that the proposed smart sensor node, which can be monitored from anywhere in the world and is able to detect damage in the initial stage, even in the presence of ... / Doutor

Orientador: Eduardo Paciencia Godoy / Coorientador: Diego Colón / Banca: Everson Martins / Banca: Bruno Augusto Angélico / Resumo: Com os recentes avanços das tecnologias sem fio e a proliferação de sensores sem fio, há um crescente interesse na implementação de Sistemas Controle via Redes Sem Fio (WNCSs), que fornecem vantagens em relação às arquiteturas tradicionais ponto-a-ponto e às arquiteturas de redes cabeadas. Apesar das vantagens, a inserção de redes industriais na malha de controle impõe não-linearidades e restrições que afetam o desempenho e a estabilidade do WNCS. Além disto, uma questão fundamental para aplicações de WNCS é a vida útil da bateria de alimentação dos sensores sem fio, uma vez que é uma fonte limitada de energia. Como a transmissão da informação na rede sem fio requer um alto gasto energético pelo dispositivo, deve-se restringir a quantidade de comunicações para poupar bateria. Esta restrição inviabiliza o uso de sensores sem fio em diversas aplicações de WNCS. Neste contexto, este trabalho apresenta o desenvolvimento de um controlador adaptativo multi-rate para eficiência energética em aplicações industriais de WNCSs, através da diminuição da frequência de transmissão de dados na rede e, portanto, redução do consumo energético dos dispositivos sem fio. Um controlador adaptativo auto-ajustável foi implementado para identificar o modelo do WNCS, simular tal modelo e sintonizar os parâmetros do controlador a cada passo de controle, fornecendo robustez contra distúrbios e não-linearidades inerentes ao WNCS. O diferencial do controlador adaptativo é a incorporação das técnicas de i... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Recent advances in wireless technologies and the proliferation of wireless sensors led to an increasing interest in the implementation of Wireless Networked Control Systems (WNCS), which provide advantages over traditional peer-to-peer and cabled networks archiectures. Despite these advantages, inserting a communication network in the control loop impose nonlinearities and constraints which affect stability and performance of the system. Furthermore, a major issue in wireless applications is the lifetime of the sensors batteries, which are a limited source of power. As transmitting data over the network requires high-energy expenditure, it is imperative to reduce the number of communications, in order to save battery. This constraint makes it unfeasible to use wireless sesors in most WNCS applications. In this context, this work aims to develop a multi-rate adaptative controller to enhance energy efficiency in industrial WNCS applications, by reducing frequency of data transmission over the network, thus reducing power expenditure of the wireless devices. A self-tuning adaptive controller is implemented, which can identify the WNCS model, simulate such model and tune the controller parameters at each control step, them prividing robustness to disturbance and inherent nonlinearities of the WNCS. The adaptative controller is augmented with a multi-rate control tehcnique and packet-based identification. The packet-based identification consists is transmitting messages with a pack of data (instead of only transmitting the most recent one) sampled during the inter-samples period, thus improving identification of the WNCS model and, consequently, improviding control performance. The multi-rate control technique consists in using virtual feedback data, provided by the simulated model fo the WNCS, then enabling, actuation faster than wireless sampling, allowing the reduction of wireless transmissions... (Complete abstract electronic access below) / Mestre

Orientador: Eduardo Paciência Godoy / Banca: Paulo José Amaral Serni / Banca: Maria Luiz Tronco / Resumo: A recente introdução de transmissores sem fio na indústria provocou um novo interesse em técnicas de medição e controle, porém a maioria das aplicações está restrita a medições de variáveis de processo em malha aberta ou aplicações de monitoramento. O motivo é a falta de confiabilidade devido aos problemas inerentes ao meio de transmissão, que pode ser a perda de pacotes de informação, atrasos de comunicação variantes no tempo, atualização muito lenta e não periódica da medição e vários tipos de interferências. A maior parte dos controladores industriais em controle de processos assumem que o ciclo de controle é executado de forma periódica e que uma nova medição está disponível para ser usada em intervalos de tempo conhecidos. No entanto esta situação não pode ser garantida quando sensores ou transmissores sem fio são usados em aplicações de controle em malha fechada, denominadas de Sistemas de Controle via Redes sem fio (WNCS - Wireless Networked Control Systems). Nesses tipos de aplicações, os transmissores sem fio devem transmitir novas medições de forma não periódica e somente se a medição da variável do processo tiver alterado significativamente. Para tornar esta tecnologia de WNCS mais confiável, muitas técnicas de controle têm sido pesquisadas, entre elas o PIDPlus que representa uma modificação do algoritmo PID para controle via rede sem fio. Este trabalho apresenta a implementação do protocolo Modbus para aplicações de WNCS. O protocolo Modbus TCP foi embarcado em h... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The recent introduction of wirelless transmitters in the industry has driven a new interest in measuring and control techniques, but most applications are restricted to measurements of process variables in open loop or monitoring applications. The reason in the lack of reliability due to problems inherent to the transmition medium, which may be the packet loss, tie varying delay, slow and aperiodic measurement updates and interference. Most industrial process controllers assume that the control cycle is performed periodically and that a new measurement is available to be used at known time intervals. However is cannot be guaranteed when wireless sensors or transmitters are used in closed loop controle applications, called Wireless Networket Control Systems (WNCS). In these type of applications, wirelless transmitters shall new measurments not periodically and only if the process variable measurments has changed significantly. In order to enable and make this WNCS technology reliable, many control techniques have been researched including the PIDPlus that is a modified PID algorithm for wireless control. This paper presents the implementation of the Mobdus protocol for WNCS applications. The Modbus TCP was embedded in dedicated hardware enabling the transmisstion of data via Ethernet TCP/IP and Wi-Fi. A comparison and evaluation of PID controllers for WNCS were done considering situations of variable sampling and communication delays and packet losses. The results are analyzed from the point of view of control performance and robustness. Experimental results in a pilot plant prove the efficiency of the implementation of a wireless control loop using a Wi-Fi network embledded Modbus protocol and PIDPlus controller / Mestre

Orientador: Alexandre César Rodrigues da Silva / Co-orientador: / Banca: Nobuo Oki / Banca: Aparecido Augusto de Carvalho / Banca: Edson Antonio Batista / Banca: Elnatan Chagas Ferreira / Resumo: Os sistemas operacionais possuem um papel fundamental nos microcomputadores, realizando o interfaceamento entre os aplicativos e o hardware. Além dos microcomputadores, atualmente, os sistemas operacionais são empregados em ambiente a com arquitetura restrita, como os microcontroladores, denominando-os como sistemas operacionais embarcados. Algumas das aplicações para os sistemas operacionais co embarcados são voltadas para as redes de transdutores inteligentes, realizando o a gerenciamento e controle do sistema em que atua. Neste trabalho apresenta-se o desenvolvimento de um nó de rede denominado NCAP, utilizando o kit DE2 e o sistema o operacional embarcado μClinux para o monitoramento e controle dos TIMs com diferentes interfaces conforme a norma IEEE 1451. O NCAP desenvolvido possui como característica a conexão de diferentes TIMs com recursos de controle e monitoramento com distintas a interfaces de comunicação, com fio (RS-232) e sem fio (ZigBee). Para realização dos testes, foram desenvolvidos 4 TIMs com diferentes características, sendo: 2 STIMs (IEEE P1451.2) e 2 WTIMs (IEEE 1451.5). Os testes foram realizados utilizando uma interface de rede externa, a Ethernet, que, por meio do microcomputador, é possível acessar a página web em um servidor embarcado instalado no nó de rede NCAP. Com isso, é possível realizar o controle e o monitoramento dos transdutores conectados ao TIM independente da interface de comunicação sem fio ou com fio. Além do acesso aos transdutores, e o nó possui características que facilitam o gerenciamento, como: servidor de FTP e acesso remoto. O desenvolvimento do nó de rede embarcado, padronizado pela norma o IEEE 1451, possibilita maior flexibilidade de implantação em locais remotos e facilita a ampliação do sistema sem efetuar grandes modificações na rede. Uma característica importante... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The operating systems have a key role in microcomputers, performing interfacing between applications and the hardware. In addition to computers, currently embedded operating systems are employed in an environment with restricted architecture, such as microcontrollers, terming them as embedded operating systems. Some of the applications for embedded operating systems are geared for smart transducer networks, making the management and control system in which it operates. This work presents the development of a network node denominated NCAP using the DE2 kit and embedded operating system μClinux for monitoring and control of TIMs with different interfaces based on IEEE 1451. The NCAP has developed the characteristic connection of different TIMs with monitoring and control capabilities with different communication interfaces, wired (RS-232) and wireless (ZigBee). The testing, four TIMs were developed with different characteristics, as follows: 2 STIMs (IEEE P1451.2) and two WTIMs (IEEE 1451.5). The tests were performed using an external network interface, Ethernet, that through the PC, you can access the web page in an embedded server installed on the network node NCAP. This makes it possible to perform control and monitoring of transducers connected to the TIM interface regardless of wireless or wired. In addition to access to the transducers, the node has features that facilitate the management, such as FTP server and remote access. The development of embedded network node, standardized by IEEE 1451, allows for greater flexibility of deployment in remote locations and facilitates the expansion of the system without making major changes in the network. An important feature is the dynamic development in relation to the hardware implemented in FPGA with Nios II processor, it is... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

As redes de sensores sem fio (wsns) têm ganhado cada vez mais espaço no monitoramento e controle de processos na indústria. Dentro destas redes, os dispositivos são alimentados por baterias, e a comunicação é feita por radiofrequência. Por conta disto, os rádios dos dispositivos são responsáveis por consumir boa parte da energia armazenada nas suas baterias, e a comunicação dos dispositivos está sujeita à interferência provinda de outras redes e do maquinário industrial. Para sanar estes problemas podem ser empregadas técnicas de controle de potência de transmissão (cpt). Existem diversas técnicas de cpt na literatura, visando os mais diversos objetivos, desde economia de energia e redução de interferência, até controle da topologia da rede. Este trabalho apresenta uma proposta de emprego de (cpt) em uma rede de sensores sem fio através da utilização de controladores proporcionais-integrais (pi). Juntamente com a técnica proposta, são apresentados um procedimento para projeto dos controladores e alguns algoritmos desenvolvidos para o caso ideal e para os casos com saturação dos níveis de potência disponíveis. Este trabalho se diferencia dos trabalhos encontrados na literatura por apresentar uma técnica de controle linear e que depende apenas de informações já disponíveis em cada dispositivo cuja potência será ajustada. Deste modo, esta técnica pode ser empregada em conjunto com protocolos industriais mais restritivos quanto às informações que podem ser trocadas nas mensagens. Além disso, esta técnica reduz ainda mais o consumo e a interferência por evitar transmissões desnecessárias. A proposta apresentada foi validada através de simulações e de um experimento com dispositivos WirelessHART reais, apresentando bons resultados e provando que é possível controlar a potência sem a necessidade das informações extras. / Wireless sensor networks (wsns) are being increasingly adopted in monitor and control tasks in the industry. The devices within these networks are battery-powered, and they communicate through radio frequency. Therefore the radios of the devices account for the most of the consumption of the energy stored in the batteries, and the devices’ communication is subject to interference from other networks and industrial machinery. Transmission power control (tpc) techniques can be employed to cope with these problems. There are several tpc techniques in the literature, aiming at a wide range of objectives, from energy saving and interference reduction, to network topology control. This work presents the proposal of a (tpc) technique in a wireless sensor network that works by employing proportional-integral (pi) controllers. Besides the technique itself, a procedure is presented to design the controllers along some algorithms developed to the ideal case, and the case when there is saturation in the available power levels. This work, unlike the other works found in the literature, presents a linear technique that depends only on information that is already available in each device whose power needs to be adjusted. Therefore, the proposed technique can be employed together with more restrictive industrial protocols that limit the information that can be exchanged in the messages. Besides, it further reduces the power consumption and the interference by avoiding unnecessary transmissions. The proposal was validated through simulations and an experiment using real WirelessHART devices, presenting good results and proving that it is possible to adjust the transmission power without necessarily using the extra information.

Redes de sensores sem fio tem ganhado grande destaque em diferentes aplicações, tais como, domésticas, comercial e industrial, trazendo mais flexibilidade e mais conveniência em nossas vidas. Entretanto, seu desempenho é influenciado por diversos fatores como, por exemplo, características do ambiente de propagação das ondas de rádio e outras tecnologias de comunicação sem fio que podem coexistir em uma mesma área de cobertura. Os recursos utilizados nas comunicações sem fio são limitados e muitas vezes não exclusivos possibilitando interferências provenientes de diferentes tipos de fontes. O presente trabalho busca soluções para o uso mais eficiente dos recursos da rede de comunicação sem fio, são investigados e propostos métodos adaptativos para uma rede sem fio industrial, o protocolo WirelessHART, utilizando mecanismos dinâmicos de sensoriamento de espectro e seleção de canal entre os dispositivos da rede. É apresentado uma arquitetura de gerenciamento do espectro em conformidade com o protocolo, baseado em sensoriamento do espectro distribuído e no monitoramento do desempenho das comunicações. A arquitetura utilizada permite a classificação de um conjunto de canais específicos entre os pares de dispositivos durante a operação da rede de comunicação. O trabalho demonstra o desempenho dos mecanismos desenvolvidos para a detecção de interferências com redes do tipo IEEE 802.11. / Wireless sensor networks have been expanding rapidly in many applications for different areas such as residential, office and industrial. Wireless connections bring many advantages as installation feasibility, scalability, mobility and reduce infrastructure costs. However, wireless network performance is affected by many factors as, for example, environment characteristics and other wireless communication technologies at the same coverage area. The wireless communication resources are limited and many times shared, allowing interferences from different kind of electromagnetic sources. This work presents a solution for an efficient use of the wireless communication network resources, investigate and propose adaptive methods for an industrial wireless network, the WirelessHART protocol, using dynamic mechanisms of spectrum sensing and channel selection between the devices. A protocol spectrum management architecture based on distributed sensing and monitoring of communications performance is presented, in compliance with WirelessHART protocol, allowing the classification of a set of specific channels between peer devices during the communication network’s operation. Also, it is presented the channel selection performance for IEEE 802.11 interference.

Les réseaux de capteurs communicants sont fortement contraints en ressources : calcul, mémoire et énergie. Dans ce contexte, une attention particulière doit être portée lors de la conception des application, des protocoles de communication et du système d'exploitation qui vont être exécutés sur les plateformes. Le but de cette thèse a été d'adapter les modèles de logiciels utilisés classiquement pour la programmation d'applications au domaine des réseaux de capteurs et de proposer des méthodes et outils permettant de construire une version adaptée du logiciel devant s'exécuter sur les cibles à partir d'un modèle de l'application. Une des composantes qui consomment le plus d'énergie d'un micro-capteur c'est son interface radio. Le comportement d'une couche MAC peut être exprimé comme un automate temporisé avec des états fixes (qui correspondent a des états spécifiques du dispositif physique) ou des états libres (dont le choix de mappage est laissé au choix du programmeur). Le comportement d'un périphérique radio peut lui-même être exprimé comme un automate temporisé composé d' états transitoires (avec durée fixe de l'état) et non transitoires (avec une durée illimitée mais avec une contrainte de temps minimal à passer dans l'état). Le problème de mapper un état software libre de durée fixe sur un chemin dans l'automate du dispositif physique en minimisant l'énergie est prouvé NP-complète. Une heuristique permettant de mapper les états libres d'un automate correspondant à un protocole software sur des états ou chemins entre les états d'un dispositif physique est proposée. L'approche amène à des gains théoriques de 60% pour B-MAC- une couche MAC classique. Pour les 2 catégories de système d'exploitation dédiés à ce type d'applications (modèle à événements et modèle à threads), des squelettes de code sont générés. Adapté a Mantis OS, le squelette de code pour B-MAC confirme en simulation sur la plateforme Worldsens les gains théoriques. Des simulations sur la plateforme réelle Senslab ont prouvé que l'optimisation en terme d'energie ne modifie pas les performances fonctionnelles du protocole. / Wireless Sensor Networks are are highly constrained in resources: computation, memory and energy. In this context, particular attention must be paid when designing applications, communication protocols and operating systems that will run on the sensor nodes. The purpose of this thesis was to adapt the software models conventionally used for programming applications to the field of sensor networks and to propose methods and tools to build a customized version of the software to run on the sensor nodes from a model of the application.One of the components of a micro-sensor that consumes the most energy is its radio interface. The behavior of a MAC layer protocol can be expressed as a timed automaton with fixed states (which correspond to specific states of the physical device) or free states ( the choice for their mapping is left to the programmer). The behavior of a radio device itself can be expressed as an automaton consisting of transitional (with fixed duration) and non-transitional states (with unlimited duration but with a minimum time duration constraint). The problem of mapping a free state of the software of fixed duration on a path of the physical device by minimizing the energy consumed is proven to be NP-complete. A heuristic to map the free states of an automaton corresponding to a software protocol to states or paths between the states of a physical device is proposed. The approach leads to theoretical gains of 60% for the mapping of B-MAC, a MAC layer protocol. For two categories of operating systems dedicated to Wireless Sensor Networks (event model and multi-threaded), code skeletons are generated. The simulations under the Worldsens platform of the multi-threaded code skeleton generated for B-MAC and adapted to Mantis OS confirmed the theoretical gains. Experiments on the real platform SensLab have shown that the optimization in terms of energy does not change the functional performance of the protocol.