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Apresentação de Poster em conferência Nacional., Presentation of a wave profile and tide monitoring system, with low-cost and low-power pressure sensors connected to a datalogger in a wired or acustic network.

[Excerpt] The ocean has a huge impact on our way of life; therefore, there is a need to monitor and protect its biodiversity. Additionally, the ocean industrial potential for health, minerals, and oil has promoted the need for constant and real-time monitoring. Due to all of these concerns, it is important to develop efficient and smart marine sensors to improve our knowledge of the sea environment and to support marine sustainable development. [...]

[Excerpt] Knitted textiles provide high mechanical performance to organic designs enhancing the geometrical freedom of the buildings. Currently, knitted textile solutions for the construction industry are still heavily based on the use of fibers based on synthetic polymers, nevertheless, the shift to fibers based on natural polymers is beginning to be rediscovered. Hemp was used to produce Knitted Textile Pre-form (KTP). The high porosity of KTP structures is one of the main challenges for concrete matrix pouring and curing process. Thus, KTP was coated with polyvinyl alcohol (PVA) with pad dry process to reduce the porosity of the KTP and improve its mechanical performance.

[Excerpt] The main scope of this study was to assess the potential of knitted textiles for underwater instrumented underwater building systems, using textile knitted preforms (multi-shape; multimaterial; etc…), using natural fibres (Hemp, Linen and Cotton).

This work reports the development and test of an energy harvester (few centimetres sized) designed to power the miliwatts required in submersible monitoring systems, that uses water movements as energy source. The device was fabricated with moulded materials (epoxy resin and silicone), using additive manufacturing for mould fabrication. The device was characterized with movements from 0.1 Hz to 0.4 Hz, and the maximum power of 7 Mw WAS measured in emulated environment. Power was used to charge a lithium rechargeable battery (for levelling energy sourcing and demanding) and tested to power turbidity sensors, FEDER funds through the COMPETE 2020 – Programa Operacional Competitividade e Internacionalização (POCI)

Robust wireless communication networks are a cornerstone of the modern world, allowing data to be transferred quickly and reliably. Establishing such a network at sea, a Maritime Internet of Things (MIoT), would enhance services related to safety and security at sea, environmental protection, and research. However, given the remote and harsh nature of the sea, installing robust wireless communication networks with adequate data rates and low cost is a difficult endeavor. This paper reviews recent MIoT systems developed and deployed by researchers and engineers over the past few years. It contains an analysis of short-range and long-range over-the-air radio-frequency wireless communication protocols and the synergy between these two in the pursuit of an MIoT. The goal of this paper is to serve as a go-to guide for engineers and researchers that need to implement a wireless sensor network at sea. The selection criterion for the papers included in this review was that the implemented wireless communication networks were tested in a real-world scenario., cofunded by the project K2D: Knowledge and Data from the Deep to Space with reference POCI-01-0247-FEDER-045941, cofinanced by the European Regional Development Fund (ERDF), through the Operational Program for Competitiveness and Internationalization (COMPETE2020), and by the Portuguese Foundation for Science and Technology (FCT) under the MIT Portugal Program. This work is also cofinanced by national funds through FCT–Fundação para a Ciência e Tecnologia, I.P., under project SONDA (PTDC/EME-SIS/1960/2020). T.M. thanks FCT for grant SFRH/BD/145070/2019

Conductive textiles are a class of materials with a growing interest due to their potential applications in medical, healthcare, comfort, protective clothing, and sportswear sectors. They can be used for the development of smart textiles able to answer to different external stimuli such as thermal, mechanical, chemical, electrical, magnetic, and optical. The complex poly (3,4-ethylene dioxythiophene):polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS) is the most explored polymer to prepare conductive textiles. Dopants can be introduced to add or remove electrons from the backbone of PEDOT:PSS, resulting in increased conductivity. Salts such as 1-butyl-3-methylimidazolium octyl sulphate (IZ) may promote ionic interactions with PEDOT:PSS, stimulating a microstructure reorganization. Moreover, the dielectric barrier discharge (DBD) plasma treatment has been shown to improve the adhesion of coatings by modifying the surface roughness, surface chemistry, and hydrophilicity of the fabrics. In this work, untreated and DBD plasma-treated polyester (PES) fabrics were impregnated with PEDOT:PSS with and without the addition of imidazolium salt (0.2M) as a dopant. Using the IZ, it was possible to adapt the textile materials into resistors, where the applied current converted electrical energy into heat. The developed textiles can be used to produce heating garments.

Laboratories and industries that handle chemicals are ubiquitously prone to leakages. These may occur in storage rooms, cabinets or even in temporary locations, such as workbenches and shelves. A relevant number of these chemicals are corrosive, thus commercial products already exist to prevent material damage and injuries. One strategy consists of the use of absorbing mats, where few display neutralizing properties, and even less a controlled neutralization. Nevertheless, to the authors’ knowledge, the commercially available neutralizing mats are solely dedicated to neutralizing acid or alkali solutions, never both. Therefore, this work describes the development and proof of a completely novel concept, where a dual component active mat (DCAM) is able to perform a controlled simultaneous neutralization of acid and alkali leakages by using microencapsulated active components. Moreover, its active components comprise food-grade ingredients, embedded in nonwoven polypropylene. The acid neutralizing mats contain sodium carbonate (Na2CO3 ) encapsulated in sodium alginate microcapsules (MC-ASC). Alkali neutralizing mats possess commercial encapsulated citric acid in hydrogenated palm oil (MIRCAP CT 85-H). A DCAM encompasses both MC-ASC and MIRCAP CT 85-H and was able to neutralize solutions up to 10% (v/v) of hydrochloric acid (HCl) and sodium hydroxide (NaOH). The efficacy of the neutralization was assessed by direct titration and using pH strip measurement tests to simulate the leakages. Due to the complexity of neutralization efficacy evaluation based solely on pH value, a thorough conductivity study was performed. DCAM reduced the conductivity of HCl and NaOH (1% and 2% (v/v)) in over 70%. The composites were characterized by scanning electron microscopy (SEM), differential calorimetry (DSC) and thermogravimetric analysis (TGA). The size of MC-ASC microcapsules ranged from 2 µm to 8 µm. Finally, all mat components displayed thermal stability above 150 ◦C., This research was funded by the Portuguese Foundation for Science and Technology (FCT), European Regional Development Fund (FEDER), Operational Program for Competitiveness Factors (COMPETE), and Portuguese Ministry of Science, Technology and Higher Education (MCTS) [UID/CTM/00264/2021]; [PTDC/CTM TEX/28295/2017]; [UIDB/50026/2020]; [POCI-01-0247-FEDER-039733]; [PTDC/EME-SIS/28225/2017]; [POCI-01-0247-FEDER-045315] and supported by the Northern Portugal Regional Operational Program (NORTE 2020) under the PORTUGAL 2020 Partnership Agreement through the FEDER. Ph.D. scholarships: SFRH/BD/145269/2019, 2020.04919.BD, SFRH/BD/137668/2018-FCT, European Social Fund (FSE), MCTS, and European Union.

Conductive properties are paving the way to produce smart textiles with a robust framework, so the development of electroconductive textiles is an area with growing interest. Poly (3,4-ethylene dioxythiophene):polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS), is a conductive polymer widely used to impart conductivity to textiles. An increase of the conductivities is possible through the addition of secondary dopants to the conductive polymers, such as glycerol (GLY) or dimethyl sulfoxide (DMSO). Dielectric barrier discharge (DBD) plasma treatment improves the adhesion of coatings by modifying the surface of textiles. Herein, electrically conductive textiles for heat generation were prepared and characterized. Polyester (PES, DBD plasma-treated and not treated) fabrics were impregnated in a padding system with five layers of conductive solutions: PEDOT:PSS; PEDOT:PSS + GLY 5%; and, PEDOT:PSS + DMSO 7%.

The future of robotics is now trending for home servicing. Nursing homes and assistance to elder peopleare areas where robots can provide valuable help in order to improve the quality of life of those who need it most. Calling a robot,for a person of age,can be a daunting task if the voice is failing and any resort to battery operated devices failsto comply. Using a simple mechanical apparatus,such as aClick trainerfordogs, a person can call a robot by pressing thebutton of a powerless device. The high pitch sound produced by this device can be captured and tracked down in order to estimate the person’s location within a room. This paper describes a method that provides good accuracy and uses simple and low cost technology,in order to provide an efficient positional value for an assistance robot to attend its caller. The robot does not need to search for the person in aroom as it can directly travel towards the Click’s sound source., info:eu-repo/semantics/publishedVersion

In order to achieve underwater acoustic high data-rate and real time communications, it is essential to implement a system that operates both at high and wideband frequencies using digital modulations. Therefore, to reduce the time and cost of developing acoustic communications an emulator of a physical layer model was implemented, allowing to test in real time the performance of digital modulations. The model was composed of an emitter transducer, a hydrophone and the subaquatic medium and was integrated in a Field Programmable Gate Array (FPGA) in order to emulate the physical layer in the acoustic modem testing. The emitter transducer and the hydrophone models were designed to meet real prototype characteristics. The system prototype was implemented in order to compare the experimental trials results with those obtained in emulator, emulating the transmission of acoustic signals, using different types of digital modulations. The system was tested using Binary Phase-Shift Keying (BPSK), Binary Frequency Shift keying (BFSK) and Binary Amplitude Shift Keying (BASK) modulations with a 1 MHz carrier frequency resulting in a data rate of 125 kbps. It was verified that the implemented model represents a suitable approximation to the real subaquatic communication channel, allowing the evaluation of digital acoustic communications., M. S. Martins thanks the FCT for the Post-Doctoral fellowships grant SFRH/BPD/107826/2015., info:eu-repo/semantics/publishedVersion

Oceans have shown tremendous importance and impact on our lives. Thus the need for monitoring and protecting the oceans has grown exponentially in recent years. On the other hand, oceans have economical and industrial potential in areas such as pharmaceutical, oil, minerals and biodiversity. This demand is increasing and the need for high data rate and near real-time communications between submerged agents became of paramount importance. Among the needs for underwater communications, streaming video (e.g. for inspecting risers or hydrothermal vents) can be seen as the top challenge, which when solved will make all the other applications possible. Presently, the only reliable approach for underwater video streaming relies on wired connections or tethers (e.g. from ROVs to the surface) which presents severe operational constraints that makes acoustic links together with AUVs and sensor networks strongly appealing. Using new polymer-based acoustic transducers, which in very recent works have shown to have bandwidth and power efficiency much higher than the usual ceramics, this article proposes the development of a reprogrammable acoustic modem for operating in underwater communications with video streaming capabilities. The results have shown a maximum data-rate of 1Mbps with a simple modulation scheme such as OOK, at a distance of 20 m., FCT (Fundacao para a Ciencia e Tecnologia) in the scope of the project: PEst-OE/EEA/UI04436/2015; Project Scope: PEst-UID/CECI00319/2013

Tese de doutoramento do Programa Doutoral em Engenharia Eletrónica e de Computadores, Underwater wireless communication systems are becoming a priority in terms of research and technological development due to the increasing demand for exploring the oceans’ potential in areas such as pharmaceutical, oil, minerals, environmental and biodiversity. This demand is increasing exponentially with the need for high data rate and near-real-time communications between submerged mobile and static agents. The existing wireless communication technologies using electromagnetic waves or lasers are not very efficient due to the large attenuation in aquatic environment. Ultrasound reveals a lower attenuation, and thus has been used in underwater long-distance communications. But the underwater acoustic medium is one of the less reliable communication channels which represent major challenges for communications. With relatively slow sound speed propagation (~1500 m/s) the delay may represent a problem for communications with real-time applications. A theoretical model of an underwater communication system was also developed. The model allows to emulate the emitter, the hydrophone and the underwater acoustic channel, which includes attenuation, environmental noise, Doppler Effect, multipath and propagation delay. This model supported the study of wireless communications by emulating the transmission of acoustic signals using different types of digital modulations. The acoustic signal attenuation, multipath, ambient noise in several environments theoretical results were compared to those obtained experimentally. Allowing to conclude that the model represents a suitable approximation to the real subaquatic communication channel for the evaluation of digital acoustic communications. An optimization study of ultrasound transducers for underwater communications was addressed, focusing on a piston type emitter operating in the thickness mode (d33). It was discussed how the acoustic impedance, thickness, resonance frequency and structure affect the transducer performance. This work allowed a better understanding of the emitter transducer characteristics allowing reaching the optimum point of operation for specific applications. Focusing on underwater communication, the transducer was optimized by finite element computer simulations. The results were compared with experimental tests and show that four-layer structures increase up to 16 dB in performance when compared to single-layer transducer disks. For high data-rates and real-time applications it was necessary to develop ultrasound transducers able to work at high frequencies and wideband, with suitable responses to digital modulations. It was thus also included a comparison study that shows how the acoustic impedance influences the performance of an ultrasonic emitter when using different digital modulations and operating at frequencies between 100 kHz and 1 MHz and some tens of meters of distance. It is presented a Finite Element Method (FEM) and a MATLAB/Simulink simulation with an experimental validation to evaluate two types of piezoelectric materials: one based in ceramics (high acoustic impedance) with a resonance design and a polymer based (low acoustic impedance) system, designed to optimize the performance when using digital modulations. The transducers performance for Binary Amplitude Shift Keying (BASK), On-Off Keying (OOK), Binary Phase Shift Keying (BPSK) and Binary Frequency Shift Keying (BFSK) modulations with a 1 MHz carrier at 125 kbps baud rate were compared. The transducers materials used were the ceramics PZT-5H and the polymer PVDF. The results show that PVDF transducer has a better performance to digital modulations than PZT-5H transducer, providing the signal full demodulation for all digital modulations tested. On the other hand, the PZT-5H transducer showed a higher output, but fails to perform accurate modulated signals. Finally, the system was validated by the implementation of a full duplex point-to-point communication at 1 Mbps using OOK modulation with a 1 MHz single carrier. The system was successfully tested in a swimming pool at a distance of 6 meters with a 1 Mbps rate, achieving a 3x10-3 Bit Error Rate (BER) using just 1.4 W of power consumption. These results represent an advance in underwater acoustic communications, being the first practical system to achieve data rates up to 1 Mbps., O desenvolvimento de sistemas de comunicação subaquáticos sem fios está a tornar-se uma prioridade na comunidade científica no sentido de aumentar o desenvolvimento tecnológico. Este facto deve-se à crescente necessidade de exploração do potencial dos oceanos em áreas científicas diversas como farmacêutica, petrolífera, mineral, ambiental e até do próprio estudo da biodiversidade. Essa necessidade aumenta exponencialmente com a necessidade de comunicações de alto débito e em tempo real entre agentes submersos móveis e estáticos. As tecnologias de comunicações sem fios existentes, nomeadamente as que utilizam ondas eletromagnéticas ou lasers não são muito eficientes, devido, em grande parte, à atenuação no ambiente subaquático. Os ultrassons revelam uma menor atenuação tendo sido, por isso, utilizados em comunicações subaquáticas em longas distâncias. Contudo o canal acústico subaquático definisse como um dos mais difíceis, devido em parte as suas características únicas, o que apresenta ser um enorme desafio. Como a velocidade de propagação do som é relativamente lenta (~1500 m/s), o atraso pode representar um problema para as aplicações em tempo real. Foi desenvolvido um modelo teórico do sistema de comunicações subaquáticos que permite emular o emissor, o hidrofone e o canal acústico subaquático. No canal acústico subaquático foi simulado o efeito da atenuação, ruído ambiente, efeito de Doppler, multipath e atraso de propagação. Este modelo é indicado para o estudo das comunicações subaquáticas, emulando a transmissão de sinais acústicos utilizando diferentes tipos de modulações digitais. Neste estudo foram testados, a atenuação do sinal acústico, multipath, ruído em diversos ambientes e os resultados teóricos foram comparados com os obtidos experimentalmente. Permitindo concluir que o modelo representa uma aproximação adequada do canal de comunicação, permitindo a avaliação das comunicações digitais acústicas. Inclui ainda um estudo de otimização de transdutores de ultrassons para comunicações subaquáticos, tendo como base o emissor do tipo pistão, operando ao longo da espessura (d33). Foi analisada ainda a forma como a impedância, espessura, frequência de ressonância acústica e estrutura afetam o desempenho do transdutor. Este trabalho permitiu uma melhor compreensão das características do transdutor emissor que permitem atingir o ponto ótimo de operação para aplicações específicas. Tendo como base a comunicação subaquática, o transdutor foi otimizado usando os resultados de simulações pelo Método dos Elementos Finitos. Os resultados foram comparados com os testes experimentais, onde se mostra que as estruturas de quatro camadas podem aumentar até 16dB no desempenho quando comparados com discos de transdutor de única camada. Para aplicações em tempo real e de elevado debito, foi necessário desenvolver transdutores de ultrassons capazes de operar em banda larga a altas frequências, com resposta adequada às modulações digitais. Foi, portanto, incluído também um estudo comparativo que mostra como a impedância acústica influencia o desempenho do emissor de ultrassons quando se utilizam modulações digitais a operar com frequências entre 100 kHz e 1 MHz abrangendo distâncias de algumas dezenas de metros. São apresentadas simulações por Método de Elementos Finitos (MEF) e MATLAB/Simulink com validação experimental de modo a avaliar dois tipos de materiais piezoelétricos: um com base cerâmica PZT-5H (alta impedância acústica) com um design de ressonância e outro de base de polimérica PVDF (baixa impedância acústica), otimizado para modulações digitais. O desempenho dos transdutores foi comparado para as modulações: Binary Amplitude Shift Keying (BASK), On-Off Keying (OOK), Binary Phase Shift Keying (BPSK) e Binary Frequency Shift Keying (BFSK) com uma portadora de 1 MHz a 125 kbps. Os resultados mostram que o transdutor de PVDF tem um melhor desempenho do que transdutor PZT-5H, proporcionando a desmodulação completa do sinal para todas as modulações digitais testadas. Por outro lado, o transdutor de PZT-5H mostrou uma potência acústica mais elevada, embora não consiga produzir sinais modulados precisos. Finalmente, o sistema foi validado através da implementação de uma comunicação ponto-aponto bidirecional de 1 Mbps utilizando uma modulação OOK com uma portadora de 1 MHz. O sistema foi testado com sucesso numa piscina a uma distância de 6 metros com uma taxa de 1 Mbps, com um BER (Bit Error Rate) de 3x10-3, utilizando apenas 1,4 W de consumo de potência. Estes resultados representam um avanço nas comunicações acústicas subaquáticas, sendo o primeiro sistema prático de atingir velocidades até 1 Mbps.

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Civil, O tráfego marítimo e o tamanho da frota mundial de navios têm vindo a aumentar a um ritmo acelerado desde a década de 1960, em função das crescentes exigências de bens e mercadorias impostas pelos mercados mundiais. Como consequência desses aumentos, a pressão exercida sobre as estruturas portuárias também tem vindo a aumentar ao longo dos anos. De maneira a responder a esse problema, a presente dissertação serve corno uma base de trabalho para a criação de um produto de monitorização de cabeços de amarração, cuja implementação se traduza num maior fluxo de informação a que as autoridades portuárias têm acesso e uma melhoria do processo de gestão. Adicionalmente, pode induzir a monitorização de outras estruturas portuárias - defensas - para triangulação de dados, aumentando o rigor da monitorização global. Nesse sentido, este documento contém uma descrição do processo de amarração de navios, uma explanação sobre o estudo relativo ao comportamento da estrutura encarregue de absorver as cargas provenientes de ações externas que atuam sobre os navios amarrados, a identificação das componentes do sistema de aquisição e transmissão de dados e é apresentada uma solução para tornar o sistema energeticamente autónomo. A interação entre os dados registados pelo cabeço de amarração inteligente proposto e a informação já existente que se encontra em circulação na estrutura portuária de Leixões, pode ser feita posteriormente, sem prejuízo para a mesma e para a Administração dos Portos do Douro, Leixões e Viana do Castelo, SA, Maritime traffic and the size of the world's fleet of ships have been increasing at a rapid pace since the 1960s, due to the increasing demand of products and goods imposed by world markets. As a result, the pressure exerted over port structures over the years has been rising as well. In order to resolve this issue, this dissertation serves as a working basis for the creation of a new mooring bollard monitoring product, whose implementation will translate into a greater flow of information to which port authorities have access. Additionally, it provides some background studies for the monitoring of other port structures - such as harbour fenders - for data triangulation, increasing the accuracy of the monitoring system. For this, a description of the ship mooring process is made, a study is developed on the behaviour of the structure in charge of absorbing the loads from external forces that act on the mooring ships, data acquisition and transmission systems are briefly explained and a solution is presented to make the system energetically autonomous. The interaction between the data recorded by the proposed intelligent mooring bollard and the existing information that is in circulation in the Leixões port structure can be done later, without prejudice to that information and to the Administração dos Portos do Douro, Leixões e Viana do Castelo, SA., Um agradecimento à Administração dos Portos do Douro, Leixões e Viana do Castelo, SA, e ao Engenheiro Joel Silva, à empresa 3Maps representada pelo Leonel Dias, e ao projeto GIIP - Intelligent Management of Port Infrastructures", POCI-01-0247-FEDER-039890, pela partilha de informação indispensável ao desenvolvimento deste trabalho.

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Eletrónica Industrial e Computadores, O principal objetivo desta dissertação é o desenvolvimento de um módulo sensorial que atue de forma autónoma em ambientes aquáticos para recolha de variáveis físicas, que não são facilmente acessíveis. O intuito é que essa recolha permita, posteriormente, a peritos analisar essa informação para perceber e antecipar alterações nestes ambientes. O problema assume um contorno de grande importância, uma vez que nos dias de hoje o ser humano está cada vez mais dependente dos ecossistemas aquáticos para a sua sobrevivência (recolha de bens alimentares, exploração de recursos naturais, prevenção de catástrofes naturais, …), daí a sua monitorização ser fundamental para perceber previamente de que forma estes ecossistemas vão reagir e assim permitir aplicar abordagens corretas perante essas mesmas alterações. Para tal, nesta dissertação é proposto o desenvolvimento de uma sonda eficiente e sustentável que se dedique à recolha dessa informação em locais de difícil acesso. A sonda estará dotada de várias funcionalidades: (i) sensores, para a medição de pressão e temperatura debaixo de água; (ii) microcontrolador, que trata de todo o processamento inerente e faz a interface com os restantes periféricos; (iii) memória, para armazenar a informação recolhida de forma segura; (iv) placa de comunicação, para transmissão dos dados para uma estação de tratamento, através de um webserver; (v) alimentação, o sistema é munido de baterias que facultem o seu funcionamento de forma independente debaixo de água. A sonda que é proposta nesta dissertação tem a grande vantagem de ser de muito baixo custo quando comparada com as demais, como por exemplo os sistemas CTD [1][2, Ch. 14]. Esta sonda, oferece então soluções em resposta às desvantagens que outros equipamentos possam demonstrar e foi cuidadosamente concebida de forma a culminar num produto o mais cost-efficient possível., The main objective of this thesis is the development of a sensorial module that operates autonomously in aquatic environments to collect physical variables, which are not easily accessible and that later allow experts to analyze this information in order to perceive and anticipate changes in these environments. The problem assumes contours of great importance, as human beings today are increasingly dependent on aquatic ecosystems for their survival (gathering of food, exploitation of natural resources, the presentiment of natural disasters, etc.), hence its monitoring is fundamental to realize in advance how these ecosystems will react and thus allow the human being to apply correct approaches to these same changes. For this, in this dissertation it is proposed the development of an efficient and sustainable probe that is dedicated to the extraction of this information of difficult access. The probe will be equipped with several functionalities: (i) sensors, for the measurement of pressure and temperature underwater; (ii) microcontroller, which handles all the inherent processing and interfaces with the other peripherals; (iii) memory, to safely store the information collected; (iv) communication board, for transmitting data to a treatment station, via a webserver; (v) power, the system is equipped with batteries that allow it to function independently underwater. The probe that is proposed in this dissertation has the great advantage of being of very low cost when compared with the others, as for example the CTD systems [1] [2, Ch. 14]. This probe then offers solutions in response to the disadvantages that other equipment can demonstrate and has been carefully designed to culminate in a product as cost-efficient as possible.

Dissertação de mestrado em Engenharia Eletrónica Industrial e Computadores, Com o aumento da exploração das áreas submarinas cresce a necessidade de haver sistemas de comunicação subaquática rápidos e eficazes. Até ao momento, apenas existem três tipos de comunicações sem fios para ambientes subaquáticos: Rádio Frequência, Óticas e Acústicas. Hoje em dia, as comunicações sem fios são um meio de comunicação indispensável, não só pela ausência de cabelagem, mas também pela redução da manutenção das redes fixas, sendo assim possível uma redução de custos significativa, principalmente em zonas mais remotas, onde a instalação de uma rede fixa pode tornar-se inviável. Os principais problemas nas comunicações subaquáticas são os fatores que afetam a propagação das ondas acústicas no meio, como por exemplo: a atenuação do sinal ao longo do percurso, a reduzida velocidade do som (1500 m/s), efeitos por multipath e o efeito Doppler. A escolha da comunicação acústica deveu-se ao facto de ser a mais robusta para longas distâncias, uma vez que o principal objetivo deste trabalho passa pela criação de um modem acústico para comunicação de banda larga sem fios em ambientes subaquáticos. O instrumento a desenvolver deve ser de fácil utilização e ter um consumo energético reduzido, pois o fornecimento de energia dos sistemas subaquáticos normalmente depende de baterias. O sistema desenvolvido pode ser dividido em dois subsistemas: o emissor e o recetor. O subsistema do emissor contém a FPGA, o DAC, o amplificador de saída e o transdutor de emissão, ao passo que o subsistema do recetor inclui o transdutor de receção, o filtro, o ADC e a FPGA. Apesar destes dois subsistemas estarem interligados entre si, eles podem trabalhar separadamente. Na FPGA foi desenvolvida uma modulação e desmodulação. A modulação para a qual foram feitos os testes, foi baseada na técnica de modulação QFSK, usando as frequências portadoras de 100 kHz, de 400 kHz, 700 kHz e 1 MHz. Foram realizados testes em laboratório, num aquário de 100*50*40 cm, e numa piscina de 10*5 metros para uma aproximação de uma situação real, conseguindo que o sistema fosse capaz de imitir sinais modulados e, processar a desmodulação dos mesmos a uma distância de 10 metros., With the increasing exploitation of undersea areas there is a need for fast and effective underwater communication systems. Until now, only three types of wireless communications are used for underwater environments: Radio Frequency, Optic and Acoustic. The selection of acoustic communications was supported in the fact of the performance for over long distances. Nowadays, wireless communications are an indispensable mean of communication, not only due to the absence of cables, but also through the reduction of maintenance, thus making possible a significant cost reduction especially in remote areas where the installation of a fixed network may become impracticable. The main problem in underwater communications is the factors that affect the acoustic wave’s propagation in the water, such as: signal attenuation along the path, low sound velocity (1500 m/s), multipath effects and Doppler Effect. The main objective of this work is to create an acoustic modem for wireless broadband communications to underwater environments. The device must be user friendly and reduced energy consumption, since the power supply of this system usually depends on batteries. The developed system can be divided in two subsystems, the emitter and the receiver. The emitter subsystem includes the FPGA, DAC, Power Amplifier and the emitter transductor. The receiver subsystem includes the receiver transductor, filter, ADC and FPGA. Although these two subsystems are interconnected, they can work separately. The modulation and demodulation were developed in the FPGA. The modulation for which the tests were performed was based on QFSQ technique using the 100 kHz, 400 kHz, 700 kHz and 1 MHz. Laboratory tests were performed in a 100*500*40cm aquarium and in a 10*5m pool to approximate a real situation. The system was able to emit modulated signals and process its demodulation to a distance of 10 meters., Este trabalho foi suportado pelo projeto “Next-Sea: Next generation monitoring of coastal ecosystems in a scenario of global change”, NORTE-01-0145-FEDER-000032, financiado pelo Fundo Europeu de Desenvolvimento Regional (FEDER) e Programa Operacional Regional do Norte (NORTE2020)

Dissertação de Mestrado - Ciclo de Estudos Integrados Conducentes ao Grau de Mestre em Engenharia de Telecomunicações e Informática, O objetivo desta dissertação é a implementação de um modem de comunicação acústica subaquática com alto débito binário de baixo consumo. Este modem é constituído por um módulo emissor e um módulo recetor que permite comunicar num ambiente subaquático em tempo real através de sinais acústicos. As principais dificuldades neste tipo de comunicação são as características do ambiente subaquático que atenuam e degradam bastante o sinal ao longo da sua propagação. Após o desenvolvimento do modem, foram feitos vários testes em cenário real aos diferentes módulos e em diferentes condições. O modem acústico é constituído por dois módulos (emissor e recetor) e vários blocos associados. Em relação ao módulo emissor, fazem parte os seguintes blocos: interface do utilizador, modulador baseado em FPGA, conversor digital-analógico, amplificador de sinal e transdutor acústico. O módulo recetor é constituído por um hidrofone, amplificador/filtro, desmodulador baseado também em FPGA e finalmente, a interface com o utilizador. O principal fator que permitiu ao modem atingir elevados débitos, foi a técnica de modulação implementada. O modulador OOK de dois canais, possui duas ondas portadoras de 1 MHz e 0.5 MHz que permitem uma transmissão com um débito máximo de 1 Mbps. O ambiente aquático acrescentou bastantes dificuldades a este trabalho devido às suas características: elevadas atenuações a longas distâncias, existência de grande diversidade de ruído, fenómeno do multi-percurso, reduzida velocidade de propagação acústica na água (cerca de 1500 m/s) e o efeito de Doppler. Por fim, os testes realizados após o desenvolvimento do modem, revelaram que os objetivos iniciais foram cumpridos. O sistema foi capaz de transmitir sinais modulados e proceder à sua desmodulação de forma a serem corretamente interpretados pelo recetor., The goal of this thesis is the development of a high data rate and low power ultrasonic wireless broadband communication system. This system is composed by a transmitter and a receiver module that enable underwater communication in real time through acoustic waves. The main difficulties to develop this type of system are: the features of the underwater environment that attenuate and degrade the signal along its spread. Once developed, tests were made in a real scenario with different modules and under different conditions. The system is divided in two main modules (transmitter and receiver). The transmitter module, is composed by the following blocks: a user interface, a modulator implemented in FPGA, a digital to analog converter, a signal amplifier and a transducer. On the other hand, the receiver module is formed by a hydrophone, an amplifier / filter, a demodulator also implemented in a FPGA and, finally, a user interface. The factor that allowed this system to achieve high data rate, was the selected modulation scheme. The OOK modulator with two data channels, has two carriers of 1 MHz and 0.5 MHz that allows to achieve a maximum bitrate of 1Mbps. The aquatic environment increased the level of difficulty on this work due its characteristics, which includes factors such as: large attenuation in long distances, the existence of great diversity of noise, the multipath phenomenon, the low speed of acoustic propagation in water (about 1500 m/s) and the Doppler effect. Finally, the tests carried out after the development of the system revealed that the initial objectives were accomplished. The system is capable of transmitting modulated signals and perform their demodulation in order to be correctly interpreted by the receiver.

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Eletrónica Industrial e de Computadores, This work focus on the development of a platform for an underwater wireless communication system. The system to be developed is based on acoustic transducers that are projected to emit sound waves at frequencies between 100 kHz and 4 MHz in an underwater environment. The same sensors are capable of being polarized with voltage signals of different amplitudes and, for instance, being used in different modulations. The underwater environment is considered an unreliable communication medium due to countless factors acting in the propagation of the acoustic waves such as: high attenuation at long distances, low sound speed, and existence of effects like multipath and Doppler Effect. Those features make it extremely difficult to predict a satisfactory underwater wireless communication condition and enhance the need for the design of a system flexible enough to work in different conditions counteracting different water channel effects. Therefore, the system could not be projected to work at a certain frequency or with a specific modulation technique. This way, the system must work as a high power signal generator. To successful accomplish this work’s goal an exhaustive survey of all the research in this area were carried out in order to understand how these characteristics may affect the acoustic signals and those effect’s influence on the overall system requirements. Then, the project has been divided in parts such as: FPGA based modulator, digital to analog conversion unit, power amplifier, analog signal input instrumentation, analog to digital conversion unit, FPGA based demodulator and host computer user interface. After the system being developed, several practical use cases were tested to confirm its functionality and accordance with the initial requirements. Several modular tests were also made to test specific functionalities and ate the end, a on the field test was performed with a PZT ultrasound transducer. After all the testing it was concluded that the initial goals were meet and the project was concluded with success. The final system was able to polarize an ultrasonic emitter with 60 Vpp and output current greater than 3 A at frequencies superiors to 2 MHz. The same system was also able to receive signals as low as 14 μV from a hydrophone at frequencies above 1 MHz., O presente trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de uma plataforma para comunicações subaquáticas sem fios. O sistema a ser desenvolvido baseia-se em transdutores acústicos que são projetados para emitir ondas sonoras em ambiente subaquático, com frequências entre os 100 kHz e os 4 MHz. Os respetivos sensores são também capazes de serem polarizados com sinais de tensão de variadas amplitudes podendo, portanto, serem utilizados para emitir sinais em diferentes modulações. O ambiente subaquático é considerado um meio de comunicação problemático devido a inúmeros fatores que afetam a propagação das ondas acústicas no mesmo, tais como: alta atenuação a longas distâncias, a baixa velocidade do som, e a existência de efeitos como o multipath e o Efeito Doppler. Essas características fazem com que seja extremamente difícil prever as condições de operação naquele meio. Em consequência, há a necessidade de projetar um sistema suficientemente flexível para que o mesmo possa operar em diferentes condições e não ser afetado pelos efeitos do canal aquático. Como tal, o sistema não pode ser projetado para trabalhar a uma determinada frequência ou com uma determinada técnica de modulação. O que implica que o mesmo deve funcionar como um gerador de sinal de alta potência. Este projeto foi dividido em partes, tais como: modulador baseado em FPGA, a unidade de conversão analógico para digital, amplificador de potência, a unidade de conversão digital para analógico, a instrumentação do sinal analógico, o desmodulador, também baseado em FPGA e a interface de utilizador. Depois de o sistema ter sido desenvolvido, vários casos de uso prático foram testados para confirmar a sua funcionalidade e verificar se estavam de acordo com os requisitos iniciais. Vários testes modulares foram também feitos para testar funcionalidades específicas bem como testes em ambiente real com um transdutor de ultra-sons PZT. Após todos os testes concluiu-se que os objetivos iniciais foram cumpridos e o projeto foi concluído com sucesso. O sistema final foi capaz de polarizar um emissor de ultra-som com 60 Vpp e corrente de saída superior a 3 A e a frequências superiores a 2 MHz. O mesmo sistema também foi capaz de receber sinais de amplitude igual a 14 μV a 1 Hz.

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia de Comunicações, Esta dissertação tem como objetivo descrever todo o trabalho de pesquisa realizado para a implementação de um modem acústico subaquático de alto débito e baixo consumo. O ambiente subaquático é considerado um meio instável para as comunicações, devido a inúmeros fatores que afetam a propagação das ondas acústicas. Assim, inicialmente, foi necessário realizar um levantamento, a fim de entender como estes fatores podem afetar a comunicação em ambientes subaquáticos, e posteriormente, efetuar um estudo sobre técnicas de modulações digitais usadas neste tipo de sistemas. De seguida, elaborou-se uma pesquisa dos modems acústicos subaquáticos existentes tendo em atenção as suas características e finalidades. Depois de realizar uma pesquisa aprofundada sobre este assunto, foi desenvolvido um modem acústico subaquático recorrendo a vários componentes de Hardware e Software de forma a atingir os objetivos propostos. Inicialmente foi desenvolvido um modem acústico subaquático usando a ferramenta MatLab/Simulink com blocos específicos do Xilinx, para simular e permitir uma análise teórica sobre o seu comportamento. De modo a verificar o funcionamento do modem acústico subaquático foram realizados testes práticos numa piscina com 11 m (metros) de comprimento, 3 m de largura dianteira, 6 m de largura traseira e 1,5 m de profundidade. Com os transdutores, emissor e recetor colocados a 6 m de distância um do outro, foi possível verificar uma taxa de transmissão de 1 Mbps, usando apenas 1.4 W de consumo de energia, atingindo uma taxa de erro de bit (BER) de 3×10-3., This dissertation aims to describe all the study conducted to the implementation of an underwater acoustic modem of high data rate and low consumption. The underwater environment is highly unstable for the communication systems due to numerous factors affecting the acoustic wave’s propagation such as: high attenuation for long distances, low velocity of sound, existence of big diversity of noise, multipath phenomenon and the Doppler Effect. These characteristics imply an extreme difficulty to establish any kind of underwater communication. Therefore, initially, it was necessary to make an exhaustive survey of all researches in this area, in order to understand how these features can affect communication in underwater environment, and posteriorly, elaborate a study about digital modulations technics used in this kind of systems. Then, a research about all the existent acoustic modems was accomplished, taking attention to theirs features and purposes. After an intense research about this matter, it was developed an underwater acoustic modem appealing to several Hardware and Software components, so that it can achieve all the purpose objectives. The first modem created was made using the MatLab/Simulink tool, with specific Xilinx blocks to simulate and allow a theoretical analysis about its behavior. In order to verify the underwater acoustic modem operation, tests were performed in a pool with 11 m length, 3 m wide front, 6 m wide back and 1,5 to 1,8 m depth. With transducers emitter and receiver, placed in a distance 6 m far from one another, it was possible to verify a Data Rate of 1 Mbps, only using 1.4 W of power consumption, reaching a Bit Error Rate (BER) of 3×10-3.

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia de Comunicações, This dissertation aims to describe all the research work performed to study binary digital modulations in the aquatic environment using acoustic waves. The underwater environment is considered an unreliable communication system due to countless factors affecting the propagation of the acoustic waves such as: high attenuation at long distances, low sound speed, existence of great noise diversity, multipath and Doppler effect. These features make it extremely difficult to establish any kind of underwater communication. Thus, initially it is necessary to perform an exhaustive survey of all the research in this area in order to understand how these characteristics may affect communication in underwater environments and subsequently identify the key concepts to future specify this type of communication systems. After that, a study about digital modulations was done in order to identify those that could be possible to conduct on this type of system. After perform an intensive research about this subject it was developed an underwater communication system using MatLab/Simulink tool with specific Xilinx blockset to verify and allow a theoretical study about the behaviour of digital modulations in underwater environment. In order to verify the system performance and the efficiency of the performed study, a comparison between the results obtained in the theoretical system and the results obtained through practical tests was done. Through these practical tests it was possible to observe the influence of the above factors affecting the propagation of acoustic waves in underwater environments. As was initially expected, the obtained results validate and demonstrate the effectiveness of the studies that were performed. Finally, it was still possible to identify some issues that could be addressed later, in the developing of future work in this area of research., Esta dissertação tem como objetivo descrever todo o trabalho de pesquisa realizado para estudar as modulações binárias digitais em ambientes subaquáticos usando ondas acústicas. O ambiente subaquático é considerado um sistema de comunicações instável, devido a inúmeros factores que afectam a propagação das ondas acústicas tais como: alta atenuação em longas distâncias, a baixa velocidade de som, a existência de uma grande diversidade de ruído, o fenómeno de multipercurso e o efeito de Doppler. Estas características fazem com que seja extremamente difícil estabelecer qualquer tipo de comunicação subaquática. Assim, inicialmente, foi necessário realizar um levantamento exaustivo de todas as pesquisas nesta área, a fim de entender como essas características podem afetar a comunicação em ambientes subaquáticos e, posteriormente, identificar os conceitos-chave para uma futura especificação deste tipo de sistemas de comunicação. Depois disso, foi realizado um estudo sobre modulações digitais a fim de identificar as candidatas a serem usadas neste tipo de sistemas. Depois de realizar uma intensa pesquisa sobre este assunto, foi desenvolvido um sistema de comunicação subaquático usando a ferramenta MatLab/Simulink com blocos específicos Xilinx para verificar e permitir um estudo teórico sobre o comportamento das modulações digitais em ambiente subaquático. De modo a verificar o desempenho do sistema e da e ciência da pesquisa realizada, foi feita uma comparação entre os resultados obtidos no sistema teórico e os resultados obtidos por meio de testes práticos. Através destes testes práticos, foi possível observar a influência dos fatores anteriormente mencionados que afetam a propagação de ondas acústicas em ambientes subaquáticos. Como era inicialmente esperado, os resultados obtidos validam e demonstram a eficácia dos estudos que foram realizados anteriormente. Finalmente, foi ainda possível identificar algumas questões que podem ser abordadas mais tarde, no desenvolvimento de trabalhos futuros nesta área de pesquisa.

Dissertação de mestrado em Engenharia Eletrónica Industrial e Computadores, A presente dissertação de Mestrado está inserida no projeto Next-Sea do grupo CMEMS da Universidade do Minho, que tem como objetivo a criação de bases para a nova geração de monitorização, planeamento e gestão de regiões costeiras, com vista a promover e monitorizar ecossistemas marítimos mais resilientes. Dentro deste quadro geral é pretendido o desenvolvimento de equipamentos discretos, de baixo custo, baixo consumo, georreferenciados, capazes de recolher e registar dados, e que possam ser colocados tanto na coluna de água como no fundo do mar. Desta forma, o trabalho elaborado consiste no desenvolvimento de aparelhos capazes de medir e analisar de forma contínua a turbidez de águas marítimas e/ou fluviais. Para tal, foram desenvolvidos dois instrumentos distintos: um sensor de turbidez por processos óticos para medição da concentração de partículas em suspensão e um sensor por princípios acústicos para caracterização de tamanhos de sedimentos. O sensor ótico desenvolvido assenta em três tipos de tecnologias de deteção luminosa (nefelométrica, luz transmitida e reflexão para trás) fazendo uso de uma fonte de luz e três fotodetetores infravermelhos numa configuração radial. Um par emissor-recetor com um comprimento de onda ultravioleta é também utilizado com o objetivo de fazer uma distinção entre matéria orgânica e inorgânica. Após uma calibração em laboratório o sensor esteve em monitorização contínua em ambiente real durante 20 dias de forma a avaliar o seu funcionamento. O sensor acústico é inspirado da tecnologia ABS (Acoustic backscatter profiling sensors) e tem o princípio de funcionamento de um sonar ultrassónico ativo. É pretendido fazer a leitura da magnitude dos ecos recebidos fazendo uma correspondência com o tamanho radial dos sedimentos em suspensão e utilizando o tempo de voo para calcular a distância a que se encontram do sensor. Para a realização da transdução elétrica-mecânica foram utilizados três piezoelétricos de 1MHz, 2MHz e 5MHz, usados como emissor e recetor. O instrumento final desenvolvido engloba o dimensionamento de todo o hardware e software inerentes ao controlo de atuação dos transdutores, sensorização dos ecos ultrassónicos e armazenamento e processamento dos dados., The present Masters dissertation was developed in Next-Sea project of CMEMS - University of Minho and has de main goal to create the bases to the new monitoring generation, planning and management of the coastal areas to promote and monitor more resilient marine ecosystems. The investigation group pretends to develop discrete sensors, low cost, low power, georeferenced, capable of collecting and recording data, and which can be installed either in the water column or on the seabed. In the present work is developed two types of turbidity sensors for under-water in situ measurement: an optical device for measuring the concentration of suspended particles in the water and an acoustic one for characterization of the sediment sizes. The optical sensor relies on three different light detection technologies (backscattering, nephelometry and transmitted light) using three photodetectors and an infrared light source in a radial configuration. An ultraviolet receptor-emitter pair is also used to distinguish organic and inorganic matter. After a laboratory calibration, the sensor was in continuous monitoring in real environment for 20 days to evaluate its operation. The acoustic sensor is inspired in the ABS technology (Acoustic backscatter profiling sensors) and works as an active ultrasonic sonar. It’s intended to sense the acoustic backscattering strength of underwater targets, matching to the radial size of the suspended sediment and use the time flight to calculate the distance to the instrument. For the electrical-mechanical transduction, three piezoelectric transductors are used as emitter and receiver, operating at 1MHz, 2MHz and 5MHz. The final device includes the scale out of all the hardware and software required to the transductors actuation control, ultrasonic targets sensing and data storing and processing., Este trabalho foi suportado pelo projeto “Next-Sea: Next generation monitoring of coastal ecosystems in a scenario of global change”, NORTE-01-0145-FEDER-000032, financiado pelo Fundo Europeu de Desenvolvimento Regional (FEDER) e Programa Operacional Regional do Norte (NORTE2020)