The main purpose of this thesis was to investigate energy efficient Medium Access Control (MAC) protocols designed to extend the lifetime of a wireless sensor network application, such as tracking, environment monitoring, home security, patient monitoring, e.g., foetal monitoring in the last weeks of pregnancy. From the perspective of communication protocols, energy efficiency is one of the most important issues, and can be addressed at each layer of the protocol stack; however, our research only focuses on the medium access control (MAC) layer. An energy efficient MAC protocol was designed based on modifications and optimisations for a synchronized power saving Sensor MAC (SMAC) protocol, which has three important components: periodic listen and sleep, collision and overhearing avoidance and message passing. The Sensor Block Acknowledgement (SBACK) MAC protocol is proposed, which combines contention-based, scheduling-based and block acknowledgement-based schemes to achieve energy efficiency. In SBACK, the use of ACK control packets is reduced since it will not have an ACK packet for every DATA packet sent; instead, one special packet called Block ACK Response will be used at the end of the transmission of all data packets. This packet informs the sender of how many packets were received by the receiver, reducing the number of ACK control packets we intended to reduce the power consumption for the nodes. Hence more useful data packets can be transmitted. A comparison study between SBACK and SMAC protocol is also performed. Considering 0% of packet losses, SBACK decreases the energy consumption when directly compared with S-MAC, we will have always a decrease of energy consumption. Three different transceivers will be used and considering a packet loss of 10% we will have a decrease of energy consumption between 10% and 0.1% depending on the transceiver. When there are no retransmissions of packets, SBACK only achieve worst performance when the number of fragments is less than 12, after that the decrease of average delay increases with the increase of the fragments sent. When 10% of the packets need retransmission only for the TR1000 transceiver worst results occurs in terms of energy waste, all other transceivers (CC2420 and AT86RF230) achieve better results. In terms of delay if we need to retransmit more than 10 packets the SBACK protocol always achieves better performance when comparing with the other MAC protocols that uses ACK.

Nos últimos anos têm sido criticados os testes das tecnologias apenas em simuladores, por não terem em conta as condicionantes da realidade e suas influências para os utilizadores em ambiente real. Tais críticas têm levado à realização de testes em ambientes reais, tendo, contudo, um efeito agravante que é a exigência de uma infraestrutura grande e cara, o que torna mais difícil aos investigadores e desenvolvedores o acesso às mesmas. Por vários motivos, incluindo os custos de desenvolvimento em ambientes reais, tem existido um aumento da diferença entre a tecnologia desenvolvida no momento e a tecnologia disponibilizada para o público em geral, o que gerou um crescente interesse em criar laboratórios em condições reais pelo mundo inteiro, chamados laboratórios vivos. Estes laboratórios têm por objetivo disponibilizar as tecnologias em desenvolvimento, fornecendo o acesso aos investigadores interessados, assim permitindo que sejam feitos testes e demonstrações nestas plataformas, obtendo resultados realísticos. Tal poderá acelerar a finalização destas tecnologias, ajudando a reduzir a diferença entre as tecnologias disponíveis e as tecnologias a serem desenvolvidas no momento. Este trabalho apresenta contribuições para o projeto PASMO, que vai fornecer uma plataforma que disponibiliza tecnologias recentes para testes e desenvolvimento. As contribuições apresentadas neste trabalho para a plataforma estão divididas em três partes, que são: planeamento, eletrónica e controlo de rede. A parte de planeamento consiste em decidir a localização dos equipamentos da plataforma, mas, como a plataforma tem de funcionar em diversas condições temporais, foi necessário a execução de vários testes que servem para verificar os limites das várias tecnologias escolhidas, de forma a garantir o bom funcionamento da plataforma mesmo em condições adversas. Assim sendo, neste trabalho foram feitos testes de LoRa e Wi-Fi, em que se obteve um alcance superior a 500 metros para o Wi-Fi, e um alcance de 100 metros para os sensores de estacionamento de LoRa testados. Com base nos resultados obtidos foram selecionadas algumas opções de localização dos dispositivos. A parte de eletrónica resume-se na criação de um sistema heartbeat, que controla se o equipamento da plataforma está a funcionar normalmente, e caso exista algum problema pode remover temporariamente a energia ao equipamento da plataforma de forma a obrigar a um reiniciar. Esse sistema, tem um circuito para controlar a energia fornecida aos equipamentos da plataforma, e além disso, o sistema heartbeat tem um dispositivo de processamento, que monitoriza um desses equipamentos e controla o circuito. Verificou-se que com a solução desenvolvida se consegue monitorizar um Access Point. Na parte controlo de rede foi feito um programa que consegue comunicar com cada um dos sistemas heartbeat, que consegue controlar cada um deles sem a necessidade da deslocação ao local do equipamento.

Redes de sensores sem fios consistem num número variado de dispositivos eletrónicos (nós) que realizam monitorização de factores físicos ou ambientais. Dependendo do tipo de sensor acoplado ao nó, este pode executar inúmeras medições, tal como, temperatura, pressão, movimentos, entre outros. Estes dispositivos estarão sempre sujeitos a interferências devido a condições externas ambientais ou humanas, levando os sensores a relatar medições erradas tornando os relatórios não confiáveis. Quando estas medições inesperadas são produzidas, é necessário detectá-las e identificá-las em tempo real. Para tal serão combinadas diversas técnicas de redundância e fusão de dados que, em conjunto, permitirão melhorar a qualidade da monitorização. O trabalho desenvolvido para esta dissertação concentra-se sobre o domínio dos sistemas ciber-físicos e está incluído no projecto AQUAMON. Este projecto tem como objectivo principal o desenvolvimento de uma plataforma de recolha e tratamento de dados de sensores aquáticos. A monitorização contínua de ambientes aquáticos usando sensores de água é importante para diversas aplicações relacionadas com prevenção de acidentes, recursos hídricos e gestão da aquicultura e actividades recreativas. Portanto, é fundamental garantir a qualidade dos dados de monitorização para evitar falsos alarmes ou ignorar eventos relevantes. Este trabalho irá concentrar-se na implementação de uma plataforma de acordo com uma arquitectura previamente definida, denominada de ANNODE. Esta arquitectura utiliza técnicas de Aprendizagem Automática, mais especificamente Redes Neuronais, com o intuito de criar previsões, medir a qualidade destas, detectar falhas e corrigi-las, em ambiente off-line. No entanto o foco deste trabalho, não é apenas a implementação desta arquitectura, mas sim a modificação desta permitindo utilizá-la num ambiente on-line, possibilitando o processamento de medições em tempo-real, mantendo todos os aspectos centrais anteriores. Como será possível ver nos capítulos seguintes, este trabalho obteve resultados positivos e comparando-os com a arquitectura original observaram-se melhorias.

No contexto das redes de sensores sem fios, que atualmente são um tópico de bastante destaque e alvo de investigação em diversos domínios, surge a necessidade de programação dos seus dispositivos. Os serviços web são utilizados para disponibilizar uma interface o mais homogénea possível das funcionalidades das redes de sensores. O middleware MuFFIN permite inclusive a (re)programação remota do comportamento de redes de sensores através de serviços web. No entanto, esta reprogramação está dependente das características do hardware ou das linguagens de programação disponibilizadas pelos fabricantes. De modo a generalizar esta funcionalidade, propomos uma extensão ao middleware para incluir a execução de código em substituição dos sensores, quando estes não são reprogramáveis. Como prova de conceito, neste projeto utilizamos o middleware MuFFIN e a linguagem de programação de sensores Callas conjuntamente com a sua máquina virtual. Adicionalmente estendemos o MuFFIN com um componente que permite a comunicação entre duas redes de sensores sem que as mensagens trocadas extravasem o middleware, com o objetivo de criar uma forma de comunicação entre redes de sensores e atuadores, sem que esta tenha necessidade de passar pelas aplicações cliente.

Ao longo dos últimos anos, as redes de sensores sem fios têm despertado um interesse crescente por parte da comunidade científica, devido à sua grande aplicabilidade nas mais diversas áreas, como por exemplo, monitorização do ambiente, saúde, agricultura, etc. Dentro do contexto da agricultura, as redes de sensores podem vir a desempenhar um papel de destaque, permitindo que diversos dispositivos possam recolher e processar informações de várias fontes e, ao mesmo tempo, contribuir para o controlo de processos físicos que automatizem tarefas até agora desempenhadas exclusivamente por humanos. Este projeto tem por objetivo programar sensores para recolha de informação em explorações agrícolas, envia-las a um middleware que as armazena e publica através de serviços na Web a aplicações de alto nível. Foi desenvolvida uma aplicação Web que permite aceder a esta informação de acordo com parâmetros de consultas estabelecidas pelo utilizador. A aplicação permite ainda adicionar terrenos, sensores e dispositivos, podendo ser verificado o número de dispositivos num determinado terreno, quais as suas posições no mapa e ainda qual o seu tipo. Os resultados da consulta efetuada pelos utilizadores e apresentado de duas formas: tabelas ou gráficos de acordo com o desejo do utilizador.

O projeto insere-se no tema “A Internet das Coisas”. Tem como objetivo criar um middleware que possa ser executado por dispositivos com baixas capacidades de processamento e que garanta um baixo consumo de recursos. Este middleware terá de ser capaz de agregar informações de redes de sensores e disponibilizar serviços a aplicações cliente. O sistema final será aplicado para monitorizar o trabalho dos bombeiros na área dos incêndios florestais. Terá como base a monitorização de gases e as temperaturas a que os bombeiros estão expostos num cenário de um incêndio florestal. Procede também à localização através de GPS, a fim de efetuar cálculos acerca do desgaste dos bombeiros, e os localizar em caso de acidente. Para tal construiu-se uma rede de sensores, que conseguirá captar os dados do ambiente que se pretendem. Para os agregar e disponibilizar desenvolveu-se um middleware para operar nas estações base e armazenar os dados recolhidos pelas redes de sensores. Por fim desenvolveu-se uma aplicação cliente para monitorizar os bombeiros envolvidos, que usufrui de web services disponibilizados pelo middleware. De forma a criar a rede de sensores, foram construídos dispositivos que incluem sensores de gases e temperatura bem como uma módulo para localização de GPS e uma placa de rede ZigBee, os quais são alimentados por uma pilha. O middleware desenvolvido pode ser expandido em tempo de execução adcionando novos gateways ou serviços. Esse gateways tem como objetivo agregra de redes de sensores com diferentes tipos de tecnologias. Em relação aos serviços estes podem comunicar com outros, serviços, gateways ou outros componentes do sistema, a fim de implementar uma nova funcionalidade ou efetuar cálculos a partir dos dados recolhidos. A aplicação desenvolvida, tem como pano de fundo as tecnologias web, consiste numa aplicação híbrida. Esta pode ser executada em computadores, recorrendo a um web browser, ou exportada para plataformas móveis.

A IoT tem suscitado o interesse generalizado da comunidade académica e da indústria, motivado pelos potenciais ganhos que podem surgir com a incorporação deste tipo de tecnologia. Apesar da IoT não estar limitada a um tipo específico de tecnologias é consensual que grande parte dos dispositivos apresentam restrições relativamente à capacidade de retenção de energia, capacidade de armazenamento e de processamento. Por esta razão, é comum o uso do protocolo IEEE 802.15.4 para assegurar a conectividade na segunda camada e o 6LoWPAN em conjunto com o protocolo IPv6 como camada de adaptação. Apesar do uso da pilha protocolar IP em todos os dispositivos e da quantidade de soluções propostas, há ainda problemas por resolver no que diz respeito à integração contínua e sem interrupções das soluções baseadas em IoT na Internet e de criar as condições para a adoção generalizada deste tipo de tecnologias. Uma grande parte dos problemas está relacionada com os aspetos de segurança. Suportar mecanismos de segurança quando estão envolvidos nós com baixos recursos de computação e retenção de energia e quando grande parte das comunicações são entre nós onde os utilizadores não têm intervenção é um grande desafio. Os mecanismos de criptografia estão normalmente envolvidos na conceção de soluções de segurança, razão pela qual a gestão de chaves criptográficas é um aspeto crítico. Controlar quais os nós que podem aceder à rede torna a rede mais segura e simultaneamente mais fácil de gerir. No âmbito deste trabalho é proposto um mecanismo de controlo de acessos à rede e que simultaneamente agiliza a gestão das chaves criptográficas simétricas em ambientes multi-hop. O mecanismo proposto recorre ao uso de Diffie Hellman para o acordo de chaves e à critpografia de curvas elípticas. Para validar a solução proposta foi construída uma testbed laboratorial composta por equipamentos de baixo custo e com recurso a software aberto e de utilização livre.

No desenvolvimento de uma Smart City é necessário projetar todos os serviços, para que estes se articulem como um todo. A gestão do tráfego e do estacionamento de veículos e da iluminação pública são três dos serviços públicos a integrar numa cidade. Para tal é necessário projetar e desenvolver estes sistemas para que sejam totalmente controláveis pela gestão central da cidade, garantindo ainda a sua eficiência energética e funcional que uma Smart City prevê. Ao longo desta dissertação são apresentados o processo de planeamento e desenvolvimento dos sistemas, desde o sistema de telecomunicações para interligação à central de processamento até ao desenho dos seus terminais e modelos funcionais. Foram implementados protótipos funcionais de alguns dispositivos terminais, nomeadamente sinalizadores LED e terminais de controlo das luminárias, bem como a interface de gestão remota com os quais foram realizados testes e cujos resultados foram bastante satisfatórios em laboratório

O relatório do projeto “e-Diagnostic Software - aplicação web para monitorização de sensores em unidades industriais”, respeitante ao Mestrado em Comércio Eletrónico (MCE), insere-se nas disciplinas de “Projeto ou Estágio I e II”, referentes aos primeiros e segundo semestres. Este projeto tem como finalidade a análise e monitorização das redes de sensores instaladas nas unidades industriais. Através dos dados recolhidos pelas redes de sensores, existe a possibilidade do tratamento destes dados para controlo e monitorização sobre os processos produtivos de modo contínuo existentes nestas unidades industriais. A oportunidade de elaboração deste projeto surge através da parceria com a empresa eneida wireless & sensors1. Esta empresa é especialista em engenharia de instrumentação e comunicação, dedicando-se essencialmente ao ramo industrial, com inúmeras prestações desde a eletricidade e eletrónica industrial, automação e instrumentação à comunicação em tempo real através de infraestruturas wireless fiáveis e robustas. A eneidaws produz o seu próprio hardware, para projetar e instalar sistemas que permitem, de uma forma simples e económica, a recolha de informação sobre os processos produtivos de modo contínuo. A eneidaws tem o seu próprio software, para análise, monitorização e tratamento dos dados recolhidos pertencentes às redes de sensores. No entanto, o atual software, Diagnostic Software 1 (DS1), aplicação com funcionamento local em sistemas operativos Windows, contém lacunas relativamente a funcionalidades e opções pretendidas pelos clientes da eneidaws. O aluno, enquanto funcionário da empresa eneidaws e finalista do MCE, teve como motivação apresentar este projeto na sua tese final, propondo à empresa melhorar o sistema atual para monitorização das redes de sensores, tendo em conta as necessidades da presente aplicação DS1, para uma nova aplicação web genérica multiplataforma, contemplando novas tecnologias, com o objetivo de oferecer mais funcionalidades e opções aos clientes da eneidaws. A eneidaws propôs a integração do caso de estudo que tem atualmente neste projeto, o qual tem como finalidade monitorizar os postos de transformação energéticos, a nível ambiental, energético, de segurança, de qualidade do serviço, entre outros. Com a integração deste caso de estudo real torna-se possível validar, no final do projeto, se os objetivos definidos para a elaboração do mesmo foram atingidos.

Nos últimos anos o número de redes de Internet das Coisas tem aumentado. Para suportar redes de 5ª Geração (5G) redes altamente densas de larga escala vão ter de ser implementadas. Essas redes vão conter um número enorme de sensores a pilhas, detectando evento e reenviando mensagens em topologias dinâmicas (estrela, malha, ad-hoc) Estas redes altamente densas podem levar um nó a esgotar os seu recursos rapidamente. Portanto essas redes terão de ser tão eficientes quanto possível para operar durante o tempo que for necessário, mantendo as comunicações fiáveis.Este trabalho examina e apresenta um estado-da-arte sobre metodologias de medição de energia e de agregação de dados em redes de baixa potência. Medir o consumo de energia de múltiplos sensores é uma tarefa complexa. Este trabalho apresenta algumas das técnicas usadas e opta por um software para medir o consumo. Este trabalho foca-se também em agregação de dados dentro da rede. Esta agregação é feita em cada salto.A parte crítica deste trabalho é focada no desenvolvimento de um ambiente de testes. Este ambiente de testes consiste em várias placas que comunicam entre si e com um gateway. O objetivo do ambiente de testes é medir o consumo de energia em vários cenários.Com estes desafios em mente, este trabalho apresenta uma abordagem multi-camada para realizar a agregação de dados. O objetivo principal da agregação é reduzir o consumo de energia. Este método é baseado na criação de grupos de nós com configurações semelhantes, aproveitando a semelhança desses dados. O mecanismo final foi capaz de atingir até 9.17% de melhoria no consumo de energia realizando agregação.