A bus-based opportunistic sensing network
| Ano de defesa: | 2020 |
|---|---|
| Autor(a) principal: | |
| Orientador(a): | |
| Banca de defesa: | |
| Tipo de documento: | Tese |
| Tipo de acesso: | Acesso aberto |
| Idioma: | eng |
| Instituição de defesa: |
Universidade Federal do Rio de Janeiro
Brasil Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa de Engenharia Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica UFRJ |
| Programa de Pós-Graduação: |
Não Informado pela instituição
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| Departamento: |
Não Informado pela instituição
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| País: |
Não Informado pela instituição
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| Palavras-chave em Português: | |
| Link de acesso: | http://hdl.handle.net/11422/23206 |
Resumo: | Embedding sensors in urban buses is a promising strategy to deploy a city-wide Mobile Wireless Sensor Network (MWSN). The Internet of Things (IoT) paradigm can take advantage of bus mobility, achieving extended spatial coverage with fewer sensors as compared to a static setup. To overcome the limitations of IoT devices, buses can, in an opportunistic fashion, deliver data to Fog nodes located in bus stops. Fog nodes pre-process data and send it to the Cloud, which makes makes it externally available. The trade-offs are that urban buses only cover part of the city and that the frequency of the buses, and consequently of the data collection, is heterogeneous across the city. Additionally, buses may be unable to deliver the collected data on time due to the opportunistic communication to the Fog node. In this thesis, we present three main contributions. First, we propose a method to minimize delivery delays when there is a limited number of Fog nodes. In our second contribution, we propose a coverage metric to bus-based MWSNs and an optimization model to maximize coverage for a constrained number of participating buses. We also propose a more restrictive coverage metric, that takes into account the delivery delay and the measurement frequency of each sensed region, relating these metrics to different applications. We propose a metric for bus coverage contribution, showing that the importance of each bus depends on the applications the system serves. Finally, our third contribution is a prototype for SensingBus, a bus-based MWSN. We use real GPS traces from the bus fleet of Rio de Janeiro to validate our contributions. Among other remarks, our results show that if 16% of bus stops are equipped with Fog nodes, the maximum delivery delay is about 32 minutes. We also show that 32 buses can cover about 40% of the region covered by all the 6,075 buses of the fleet. |
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A bus-based opportunistic sensing networkSensoriamento baseado em veículoRedes móveis sem fioInternet das coisasEngenharia ElétricaEmbedding sensors in urban buses is a promising strategy to deploy a city-wide Mobile Wireless Sensor Network (MWSN). The Internet of Things (IoT) paradigm can take advantage of bus mobility, achieving extended spatial coverage with fewer sensors as compared to a static setup. To overcome the limitations of IoT devices, buses can, in an opportunistic fashion, deliver data to Fog nodes located in bus stops. Fog nodes pre-process data and send it to the Cloud, which makes makes it externally available. The trade-offs are that urban buses only cover part of the city and that the frequency of the buses, and consequently of the data collection, is heterogeneous across the city. Additionally, buses may be unable to deliver the collected data on time due to the opportunistic communication to the Fog node. In this thesis, we present three main contributions. First, we propose a method to minimize delivery delays when there is a limited number of Fog nodes. In our second contribution, we propose a coverage metric to bus-based MWSNs and an optimization model to maximize coverage for a constrained number of participating buses. We also propose a more restrictive coverage metric, that takes into account the delivery delay and the measurement frequency of each sensed region, relating these metrics to different applications. We propose a metric for bus coverage contribution, showing that the importance of each bus depends on the applications the system serves. Finally, our third contribution is a prototype for SensingBus, a bus-based MWSN. We use real GPS traces from the bus fleet of Rio de Janeiro to validate our contributions. Among other remarks, our results show that if 16% of bus stops are equipped with Fog nodes, the maximum delivery delay is about 32 minutes. We also show that 32 buses can cover about 40% of the region covered by all the 6,075 buses of the fleet.Uma estratégia promissora para implementar uma rede de sensores sem fio móveis (Mobile Wireless Sensor Network – MWSN) é empregar ônibus urbanos como sensores. O paradigma de internet das coisas (Internet of Things – IoT) pode utilizar a mobilidade dos ônibus e aumentar a cobertura espacial da rede com menos sensores, em comparação com o cenário estático. Devido às limitações de dispositivos IoT, ônibus podem entregar, de maneira oportunista, dados a nós de Névoa localizados em pontos de ônibus. A Névoa pré-processa os dados e os envia para a Nuvem, que os serve às aplicações. Isso cria um compromisso, pois ônibus cobrem a cidade parcialmente, e a frequência dos ônibus - e da coleta de dados - é heterogênea pela cidade. Adicionalmente, a entrega oportunista dos dados pode criar atrasos maiores do que os tolerados pelas aplicações. Esta tese apresenta três contribuições principais. Primeiro, os atrasos devido à entrega oportunista são minimizados, a partir de um problema de localização dos nós de Névoa. Segundo, é proposta uma métrica de cobertura espacial para MWSNs baseada em ônibus e um modelo para a escolha dos ônibus que maximizam a cobertura. Uma outra métrica de cobertura também é proposta, levando em consideração restrições das aplicações servidas pela rede. Também é proposta uma métrica da contribuição de cada ônibus para a cobertura. A terceira e última contribuição é um protótipo para o SensingBus, uma MWSN baseada em ônibus urbanos. Utilizam-se dados de GPS dos ônibus da cidade do Rio de Janeiro para validar as contribuições. Entre outras observações, os resultados mostram que se 16% dos pontos de ônibus forem equipados com nós de Névoa, o maior atraso de entrega na rede é de 32 min. Adicionalmente, 32 ônibus podem cobrir 40% da mesma que a frota completa, de 6.075 ônibus.Universidade Federal do Rio de JaneiroBrasilInstituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa de EngenhariaPrograma de Pós-Graduação em Engenharia ElétricaUFRJCosta, Luís Henrique Maciel Kosmalskihttp://lattes.cnpq.br/5963001351694455Couto, Rodrigo de SouzaRubinstein., Marcelo GonçalvesLima, Michele NogueiraCampista, Miguel Elias MitreCaminha., Pedro Henrique Cruz2024-07-17T19:52:47Z2024-07-19T03:00:21Z2020-10info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesishttp://hdl.handle.net/11422/23206enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UFRJinstname:Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ)instacron:UFRJ2024-07-19T03:00:21Zoai:pantheon.ufrj.br:11422/23206Repositório InstitucionalPUBhttp://www.pantheon.ufrj.br/oai/requestpantheon@sibi.ufrj.bropendoar:2024-07-19T03:00:21Repositório Institucional da UFRJ - Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ)false |
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