Self-Learning Embedded System for Object Identification in Intelligent Infrastructure Sensors

The emergence of new horizons in the field of travel assistant management leads to the development of cutting-edge systems focused on improving the existing ones. Moreover, new opportunities are being also presented since systems trend to be more reliable and autonomous. In this paper, a self-learning embedded system for object identification based on adaptive-cooperative dynamic approaches is presented for intelligent sensor’s infrastructures. The proposed system is able to detect and identify moving objects using a dynamic decision tree. Consequently, it combines machine learning algorithms and cooperative strategies in order to make the system more adaptive to changing environments. Therefore, the proposed system may be very useful for many applications like shadow tolls since several types of vehicles may be distinguished, parking optimization systems, improved traffic conditions systems, etc.

Structural health monitoring network system with wireless communications inside closed aerospace structures

Structural Health Monitoring (SHM) requires integrated "all in one" electronic devices capable of performing analysis of structural integrity and on-board damage detection in aircraft?s structures. PAMELA III (Phased Array Monitoring for Enhanced Life Assessment, version III) SHM embedded system is an example of this device type. This equipment is capable of generating excitation signals to be applied to an array of integrated piezoelectric Phased Array (PhA) transducers stuck to aircraft structure, acquiring the response signals, and carrying out the advanced signal processing to obtain SHM maps. PAMELA III is connected with a host computer in order to receive the configuration parameters and sending the obtained SHM maps, alarms and so on. This host can communicate with PAMELA III through an Ethernet interface. To avoid the use of wires where necessary, it is possible to add Wi-Fi capabilities to PAMELA III, connecting a Wi-Fi node working as a bridge, and to establish a wireless communication between PAMELA III and the host. However, in a real aircraft scenario, several PAMELA III devices must work together inside closed structures. In this situation, it is not possible for all PAMELA III devices to establish a wireless communication directly with the host, due to the signal attenuation caused by the different obstacles of the aircraft structure. To provide communication among all PAMELA III devices and the host, a wireless mesh network (WMN) system has been implemented inside a closed aluminum wingbox. In a WMN, as long as a node is connected to at least one other node, it will have full connectivity to the entire network because each mesh node forwards packets to other nodes in the network as required. Mesh protocols automatically determine the best route through the network and can dynamically reconfigure the network if a link drops out. The advantages and disadvantages on the use of a wireless mesh network system inside closed aerospace structures are discussed.

Development of Embedded Linux Applications Using ZedBoard

The purpose of this document is to create a modest integration guide for embedding a Linux Operating System on ZedBoard development platform, based on Xilinx’s Zynq-7000 All Programmable System on Chip which contains a dual core ARM Cortex-A9 and a 7 Series FPGA Artix-7. The integration process has been structured in four chapters according to the logic generation of the different parts that compose the embedded system. With the intention of automating the generation process of a complete Linux distribution specific for ZedBoard platform, BuildRoot development platform it is used. Once the embedding process finished, it was decided to add to the system the required functionalities for adding support for IEEE1588 Standard for Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems, through a user space Linux program which implements the protocol. That PTP user space implementation program has been cross-compiled, executed on target and tested for evaluating the functionalities added. RESUMEN El propósito de este documento es crear una modesta guía de integración de un sistema operativo Linux para la plataforma de desarrollo ZedBoard, basada en un System on Chip del fabricante Xilinx llamado Zynq-7000. Este System on Chip está compuesto por un procesador de doble núcleo ARM Cortex-A9 y una FPGA de la Serie 7 equiparable a una Artix-7. El proceso de integración se ha estructurado en cuatro grandes capítulos que se rigen según el orden lógico de generación de las distintas partes por las que el sistema empotrado está compuesto. Con el ánimo de automatizar el proceso de creación de una distribución de Linux específica para la plataforma ZedBoard, se ha utilizado la plataforma de desarrollo BuildRoot. Una vez terminado el proceso de integración del sistema empotrado, se procedió a dar dotar al sistema de las funcionalidades necesarias para dar soporte al estándar de sincronización de relojes en redes de área local, PTP IEEE1588, a través de una implementación del mismo en un programa de lado de usuario el cual ha sido compilado, ejecutado y testeado para evaluar el correcto funcionamiento de las funcionalidades añadidas.

Integración MPlayer-OpenSVC en el procesador multinúcleo OMAP3530

La constante evolución de dispositivos portátiles multimedia que se ha producido en la última década ha provocado que hoy en día se disponga de una amplia variedad de dispositivos con capacidad para reproducir contenidos multimedia. En consecuencia, la reproducción de esos contenidos en dichos terminales lleva asociada disponer de procesadores que soporten una alta carga computacional, ya que las tareas de descodificación y presentación de video así lo requieren. Sin embargo, un procesador potente trabajando a elevadas frecuencias provoca un elevado consumo de la batería, y dado que se pretende trabajar con dispositivos portátiles, la vida útil de la batería se convierte en un asunto de especial importancia. La problemática que se plantea se ha convertido en una de las principales líneas de investigación del Grupo de Investigación GDEM (Grupo de Diseño Electrónico y Microelectrónico). En esta línea de trabajo, se persigue cómo optimizar el consumo de energía en terminales portables desde el punto de vista de la reducción de la calidad de experiencia del usuario a cambio de una mayor autonomía del terminal. Por tanto, para lograr esa reducción de la calidad de experiencia mencionada, se requiere un estándar de codificación de vídeo que así lo permita. El Grupo de Investigación GDEM cuenta con experiencia en el estándar de vídeo escalable H.264/SVC, el cual permite degradar la calidad de experiencia en función de las necesidades/características del dispositivo. Más concretamente, un video escalable contiene embebidas distintas versiones del video original que pueden ser descodificadas en diferentes resoluciones, tasas de cuadro y calidades (escalabilidades espacial, temporal y de calidad respectivamente), permitiendo una adaptación rápida y muy flexible. Seleccionado el estándar H.264/SVC para las tareas de vídeo, se propone trabajar con Mplayer, un reproductor de vídeos de código abierto (open source), al cual se le ha integrado un descodificador para vídeo escalable denominado OpenSVC. Por último, como dispositivo portable se trabajará con la plataforma de desarrollo BeagleBoard, un sistema embebido basado en el procesador OMAP3530 que permite modificar la frecuencia de reloj y la tensión de alimentación dinámicamente reduciendo de este modo el consumo del terminal. Este procesador a su vez contiene integrados un procesador de propósito general (ARM Cortex-A8) y un procesador digital de señal (DSP TMS320C64+TM). Debido a la alta carga computacional de la descodificación de vídeos escalables y la escasa optimización del ARM para procesamiento de datos, se propone llevar a cabo la ejecución de Mplayer en el ARM y encargar la tarea de descodificación al DSP, con la finalidad de reducir el consumo y por tanto aumentar la vida útil del sistema embebido sobre el cual se ejecutará la aplicación desarrollada. Una vez realizada esa integración, se llevará a cabo una caracterización del descodificador alojado en el DSP a través de una serie de medidas de rendimiento y se compararán los resultados con los obtenidos en el proceso de descodificación realizado únicamente en el ARM. ABSTRACT During the last years, the multimedia portable terminals have gradually evolved causing that nowadays a several range of devices with the ability of playing multimedia contents are easily available for everyone. Consequently, those multimedia terminals must have high-performance processors to play those contents because the coding and decoding tasks demand high computational load. However, a powerful processor performing to high frequencies implies higher battery consumption, and this issue has become one of the most important problems in the development cycle of a portable terminal. The power/energy consumption optimization on multimedia terminals has become in one the most significant work lines in the Electronic and Microelectronic Research Group of the Universidad Politécnica de Madrid. In particular, the group is researching how to reduce the user‟s Quality of Experience (QoE) quality in exchange for increased battery life. In order to reduce the Quality of Experience (QoE), a standard video coding that allows this operation is required. The H.264/SVC allows reducing the QoE according to the needs/characteristics of the terminal. Specifically, a scalable video contains different versions of original video embedded in an only one video stream, and each one of them can be decoded in different resolutions, frame rates and qualities (spatial, temporal and quality scalabilities respectively). Once the standard video coding is selected, a multimedia player with support for scalable video is needed. Mplayer has been proposed as a multimedia player, whose characteristics (open-source, enormous flexibility and scalable video decoder called OpenSVC) are the most suitable for the aims of this Master Thesis. Lastly, the embedded system BeagleBoard, based on the multi-core processor OMAP3530, will be the development platform used in this project. The multimedia terminal architecture is based on a commercial chip having a General Purpose Processor (GPP – ARM Cortex A8) and a Digital Signal Processor (DSP, TMS320C64+™). Moreover, the processor OMAP3530 has the ability to modify the operating frequency and the supply voltage in a dynamic way in order to reduce the power consumption of the embedded system. So, the main goal of this Master Thesis is the integration of the multimedia player, MPlayer, executed at the GPP, and scalable video decoder, OpenSVC, executed at the DSP in order to distribute the computational load associated with the scalable video decoding task and to reduce the power consumption of the terminal. Once the integration is accomplished, the performance of the OpenSVC decoder executed at the DSP will be measured using different combinations of scalability values. The obtained results will be compared with the scalable video decoding performed at the GPP in order to show the low optimization of this kind of architecture for decoding tasks in contrast to DSP architecture.

Exploration of RVC applications using an ARM multicore processor = Exploración de aplicaciones RVC empleando un procesador ARM multinúcleo

Single core capabilities have reached their maximum clock speed; new multicore architectures provide an alternative way to tackle this issue instead. The design of decoding applications running on top of these multicore platforms and their optimization to exploit all system computational power is crucial to obtain best results. Since the development at the integration level of printed circuit boards are increasingly difficult to optimize due to physical constraints and the inherent increase in power consumption, development of multiprocessor architectures is becoming the new Holy Grail. In this sense, it is crucial to develop applications that can run on the new multi-core architectures and find out distributions to maximize the potential use of the system. Today most of commercial electronic devices, available in the market, are composed of embedded systems. These devices incorporate recently multi-core processors. Task management onto multiple core/processors is not a trivial issue, and a good task/actor scheduling can yield to significant improvements in terms of efficiency gains and also processor power consumption. Scheduling of data flows between the actors that implement the applications aims to harness multi-core architectures to more types of applications, with an explicit expression of parallelism into the application. On the other hand, the recent development of the MPEG Reconfigurable Video Coding (RVC) standard allows the reconfiguration of the video decoders. RVC is a flexible standard compatible with MPEG developed codecs, making it the ideal tool to integrate into the new multimedia terminals to decode video sequences. With the new versions of the Open RVC-CAL Compiler (Orcc), a static mapping of the actors that implement the functionality of the application can be done once the application executable has been generated. This static mapping must be done for each of the different cores available on the working platform. It has been chosen an embedded system with a processor with two ARMv7 cores. This platform allows us to obtain the desired tests, get as much improvement results from the execution on a single core, and contrast both with a PC-based multiprocessor system. Las posibilidades ofrecidas por el aumento de la velocidad de la frecuencia de reloj de sistemas de un solo procesador están siendo agotadas. Las nuevas arquitecturas multiprocesador proporcionan una vía de desarrollo alternativa en este sentido. El diseño y optimización de aplicaciones de descodificación de video que se ejecuten sobre las nuevas arquitecturas permiten un mejor aprovechamiento y favorecen la obtención de mayores rendimientos. Hoy en día muchos de los dispositivos comerciales que se están lanzando al mercado están integrados por sistemas embebidos, que recientemente están basados en arquitecturas multinúcleo. El manejo de las tareas de ejecución sobre este tipo de arquitecturas no es una tarea trivial, y una buena planificación de los actores que implementan las funcionalidades puede proporcionar importantes mejoras en términos de eficiencia en el uso de la capacidad de los procesadores y, por ende, del consumo de energía. Por otro lado, el reciente desarrollo del estándar de Codificación de Video Reconfigurable (RVC), permite la reconfiguración de los descodificadores de video. RVC es un estándar flexible y compatible con anteriores codecs desarrollados por MPEG. Esto hace de RVC el estándar ideal para ser incorporado en los nuevos terminales multimedia que se están comercializando. Con el desarrollo de las nuevas versiones del compilador específico para el desarrollo de lenguaje RVC-CAL (Orcc), en el que se basa MPEG RVC, el mapeo estático, para entornos basados en multiprocesador, de los actores que integran un descodificador es posible. Se ha elegido un sistema embebido con un procesador con dos núcleos ARMv7. Esta plataforma nos permitirá llevar a cabo las pruebas de verificación y contraste de los conceptos estudiados en este trabajo, en el sentido del desarrollo de descodificadores de video basados en MPEG RVC y del estudio de la planificación y mapeo estático de los mismos.

A novel methodology for planning reliable wireless sensor networks

Wireless sensor networks (WSNs) have shown their potentials in various applications, which bring a lot of benefits to users from both research and industrial areas. For many setups, it is envisioned thatWSNs will consist of tens to hundreds of nodes that operate on small batteries. However due to the diversity of the deployed environments and resource constraints on radio communication, sensing ability and energy supply, it is a very challenging issue to plan optimized WSN topology and predict its performance before real deployment. During the network planning phase, the connectivity, coverage, cost, network longevity and service quality should all be considered. Therefore it requires designers coping with comprehensive and interdisciplinary knowledge, including networking, radio engineering, embedded system and so on, in order to efficiently construct a reliable WSN for any specific types of environment. Nowadays there is still a lack of the analysis and experiences to guide WSN designers to efficiently construct WSN topology successfully without many trials. Therefore, simulation is a feasible approach to the quantitative analysis of the performance of wireless sensor networks. However the existing planning algorithms and tools, to some extent, have serious limitations to practically design reliable WSN topology: Only a few of them tackle the 3D deployment issue, and an overwhelming number of works are proposed to place devices in 2D scheme. Without considering the full dimension, the impacts of environment to the performance of WSN are not completely studied, thus the values of evaluated metrics such as connectivity and sensing coverage are not sufficiently accurate to make proper decision. Even fewer planning methods model the sensing coverage and radio propagation by considering the realistic scenario where obstacles exist. Radio signals propagate with multi-path phenomenon in the real world, in which direct paths, reflected paths and diffracted paths contribute to the received signal strength. Besides, obstacles between the path of sensor and objects might block the sensing signals, thus create coverage hole in the application. None of the existing planning algorithms model the network longevity and packet delivery capability properly and practically. They often employ unilateral and unrealistic formulations. The optimization targets are often one-sided in the current works. Without comprehensive evaluation on the important metrics, the performance of planned WSNs can not be reliable and entirely optimized. Modeling of environment is usually time consuming and the cost is very high, while none of the current works figure out any method to model the 3D deployment environment efficiently and accurately. Therefore many researchers are trapped by this issue, and their algorithms can only be evaluated in the same scenario, without the possibility to test the robustness and feasibility for implementations in different environments. In this thesis, we propose a novel planning methodology and an intelligent WSN planning tool to assist WSN designers efficiently planning reliable WSNs. First of all, a new method is proposed to efficiently and automatically model the 3D indoor and outdoor environments. To the best of our knowledge, this is the first time that the advantages of image understanding algorithm are applied to automatically reconstruct 3D outdoor and indoor scenarios for signal propagation and network planning purpose. The experimental results indicate that the proposed methodology is able to accurately recognize different objects from the satellite images of the outdoor target regions and from the scanned floor plan of indoor area. Its mechanism offers users a flexibility to reconstruct different types of environment without any human interaction. Thereby it significantly reduces human efforts, cost and time spent on reconstructing a 3D geographic database and allows WSN designers concentrating on the planning issues. Secondly, an efficient ray-tracing engine is developed to accurately and practically model the radio propagation and sensing signal on the constructed 3D map. The engine contributes on efficiency and accuracy to the estimated results. By using image processing concepts, including the kd-tree space division algorithm and modified polar sweep algorithm, the rays are traced efficiently without detecting all the primitives in the scene. The radio propagation model iv is proposed, which emphasizes not only the materials of obstacles but also their locations along the signal path. The sensing signal of sensor nodes, which is sensitive to the obstacles, is benefit from the ray-tracing algorithm via obstacle detection. The performance of this modelling method is robust and accurate compared with conventional methods, and experimental results imply that this methodology is suitable for both outdoor urban scenes and indoor environments. Moreover, it can be applied to either GSM communication or ZigBee protocol by varying frequency parameter of the radio propagation model. Thirdly, WSN planning method is proposed to tackle the above mentioned challenges and efficiently deploy reliable WSNs. More metrics (connectivity, coverage, cost, lifetime, packet latency and packet drop rate) are modeled more practically compared with other works. Especially 3D ray tracing method is used to model the radio link and sensing signal which are sensitive to the obstruction of obstacles; network routing is constructed by using AODV protocol; the network longevity, packet delay and packet drop rate are obtained via simulating practical events in WSNet simulator, which to the best of our knowledge, is the first time that network simulator is involved in a planning algorithm. Moreover, a multi-objective optimization algorithm is developed to cater for the characteristics of WSNs. The capability of providing multiple optimized solutions simultaneously allows users making their own decisions accordingly, and the results are more comprehensively optimized compared with other state-of-the-art algorithms. iMOST is developed by integrating the introduced algorithms, to assist WSN designers efficiently planning reliable WSNs for different configurations. The abbreviated name iMOST stands for an Intelligent Multi-objective Optimization Sensor network planning Tool. iMOST contributes on: (1) Convenient operation with a user-friendly vision system; (2) Efficient and automatic 3D database reconstruction and fast 3D objects design for both indoor and outdoor environments; (3) It provides multiple multi-objective optimized 3D deployment solutions and allows users to configure the network properties, hence it can adapt to various WSN applications; (4) Deployment solutions in the 3D space and the corresponding evaluated performance are visually presented to users; and (5) The Node Placement Module of iMOST is available online as well as the source code of the other two rebuilt heuristics. Therefore WSN designers will be benefit from v this tool on efficiently constructing environment database, practically and efficiently planning reliable WSNs for both outdoor and indoor applications. With the open source codes, they are also able to compare their developed algorithms with ours to contribute to this academic field. Finally, solid real results are obtained for both indoor and outdoor WSN planning. Deployments have been realized for both indoor and outdoor environments based on the provided planning solutions. The measured results coincide well with the estimated results. The proposed planning algorithm is adaptable according to the WSN designer’s desirability and configuration, and it offers flexibility to plan small and large scale, indoor and outdoor 3D deployments. The thesis is organized in 7 chapters. In Chapter 1, WSN applications and motivations of this work are introduced, the state-of-the-art planning algorithms and tools are reviewed, challenges are stated out and the proposed methodology is briefly introduced. In Chapter 2, the proposed 3D environment reconstruction methodology is introduced and its performance is evaluated for both outdoor and indoor environment. The developed ray-tracing engine and proposed radio propagation modelling method are described in details in Chapter 3, their performances are evaluated in terms of computation efficiency and accuracy. Chapter 4 presents the modelling of important metrics of WSNs and the proposed multi-objective optimization planning algorithm, the performance is compared with the other state-of-the-art planning algorithms. The intelligent WSN planning tool iMOST is described in Chapter 5. RealWSN deployments are prosecuted based on the planned solutions for both indoor and outdoor scenarios, important data are measured and results are analysed in Chapter 6. Chapter 7 concludes the thesis and discusses about future works. vi Resumen en Castellano Las redes de sensores inalámbricas (en inglés Wireless Sensor Networks, WSNs) han demostrado su potencial en diversas aplicaciones que aportan una gran cantidad de beneficios para el campo de la investigación y de la industria. Para muchas configuraciones se prevé que las WSNs consistirán en decenas o cientos de nodos que funcionarán con baterías pequeñas. Sin embargo, debido a la diversidad de los ambientes para desplegar las redes y a las limitaciones de recursos en materia de comunicación de radio, capacidad de detección y suministro de energía, la planificación de la topología de la red y la predicción de su rendimiento es un tema muy difícil de tratar antes de la implementación real. Durante la fase de planificación del despliegue de la red se deben considerar aspectos como la conectividad, la cobertura, el coste, la longevidad de la red y la calidad del servicio. Por lo tanto, requiere de diseñadores con un amplio e interdisciplinario nivel de conocimiento que incluye la creación de redes, la ingeniería de radio y los sistemas embebidos entre otros, con el fin de construir de manera eficiente una WSN confiable para cualquier tipo de entorno. Hoy en día todavía hay una falta de análisis y experiencias que orienten a los diseñadores de WSN para construir las topologías WSN de manera eficiente sin realizar muchas pruebas. Por lo tanto, la simulación es un enfoque viable para el análisis cuantitativo del rendimiento de las redes de sensores inalámbricos. Sin embargo, los algoritmos y herramientas de planificación existentes tienen, en cierta medida, serias limitaciones para diseñar en la práctica una topología fiable de WSN: Sólo unos pocos abordan la cuestión del despliegue 3D mientras que existe una gran cantidad de trabajos que colocan los dispositivos en 2D. Si no se analiza la dimensión completa (3D), los efectos del entorno en el desempeño de WSN no se estudian por completo, por lo que los valores de los parámetros evaluados, como la conectividad y la cobertura de detección, no son lo suficientemente precisos para tomar la decisión correcta. Aún en menor medida los métodos de planificación modelan la cobertura de los sensores y la propagación de la señal de radio teniendo en cuenta un escenario realista donde existan obstáculos. Las señales de radio en el mundo real siguen una propagación multicamino, en la que los caminos directos, los caminos reflejados y los caminos difractados contribuyen a la intensidad de la señal recibida. Además, los obstáculos entre el recorrido del sensor y los objetos pueden bloquear las señales de detección y por lo tanto crear áreas sin cobertura en la aplicación. Ninguno de los algoritmos de planificación existentes modelan el tiempo de vida de la red y la capacidad de entrega de paquetes correctamente y prácticamente. A menudo se emplean formulaciones unilaterales y poco realistas. Los objetivos de optimización son a menudo tratados unilateralmente en los trabajos actuales. Sin una evaluación exhaustiva de los parámetros importantes, el rendimiento previsto de las redes inalámbricas de sensores no puede ser fiable y totalmente optimizado. Por lo general, el modelado del entorno conlleva mucho tiempo y tiene un coste muy alto, pero ninguno de los trabajos actuales propone algún método para modelar el entorno de despliegue 3D con eficiencia y precisión. Por lo tanto, muchos investigadores están limitados por este problema y sus algoritmos sólo se pueden evaluar en el mismo escenario, sin la posibilidad de probar la solidez y viabilidad para las implementaciones en diferentes entornos. En esta tesis, se propone una nueva metodología de planificación así como una herramienta inteligente de planificación de redes de sensores inalámbricas para ayudar a los diseñadores a planificar WSNs fiables de una manera eficiente. En primer lugar, se propone un nuevo método para modelar demanera eficiente y automática los ambientes interiores y exteriores en 3D. Según nuestros conocimientos hasta la fecha, esta es la primera vez que las ventajas del algoritmo de _image understanding_se aplican para reconstruir automáticamente los escenarios exteriores e interiores en 3D para analizar la propagación de la señal y viii la planificación de la red. Los resultados experimentales indican que la metodología propuesta es capaz de reconocer con precisión los diferentes objetos presentes en las imágenes satelitales de las regiones objetivo en el exterior y de la planta escaneada en el interior. Su mecanismo ofrece a los usuarios la flexibilidad para reconstruir los diferentes tipos de entornos sin ninguna interacción humana. De este modo se reduce considerablemente el esfuerzo humano, el coste y el tiempo invertido en la reconstrucción de una base de datos geográfica con información 3D, permitiendo así que los diseñadores se concentren en los temas de planificación. En segundo lugar, se ha desarrollado un motor de trazado de rayos (en inglés ray tracing) eficiente para modelar con precisión la propagación de la señal de radio y la señal de los sensores en el mapa 3D construido. El motor contribuye a la eficiencia y la precisión de los resultados estimados. Mediante el uso de los conceptos de procesamiento de imágenes, incluyendo el algoritmo del árbol kd para la división del espacio y el algoritmo _polar sweep_modificado, los rayos se trazan de manera eficiente sin la detección de todas las primitivas en la escena. El modelo de propagación de radio que se propone no sólo considera los materiales de los obstáculos, sino también su ubicación a lo largo de la ruta de señal. La señal de los sensores de los nodos, que es sensible a los obstáculos, se ve beneficiada por la detección de objetos llevada a cabo por el algoritmo de trazado de rayos. El rendimiento de este método de modelado es robusto y preciso en comparación con los métodos convencionales, y los resultados experimentales indican que esta metodología es adecuada tanto para escenas urbanas al aire libre como para ambientes interiores. Por otra parte, se puede aplicar a cualquier comunicación GSM o protocolo ZigBee mediante la variación de la frecuencia del modelo de propagación de radio. En tercer lugar, se propone un método de planificación de WSNs para hacer frente a los desafíos mencionados anteriormente y desplegar redes de sensores fiables de manera eficiente. Se modelan más parámetros (conectividad, cobertura, coste, tiempo de vida, la latencia de paquetes y tasa de caída de paquetes) en comparación con otros trabajos. Especialmente el método de trazado de rayos 3D se utiliza para modelar el enlace de radio y señal de los sensores que son sensibles a la obstrucción de obstáculos; el enrutamiento de la red se construye utilizando el protocolo AODV; la longevidad de la red, retardo de paquetes ix y tasa de abandono de paquetes se obtienen a través de la simulación de eventos prácticos en el simulador WSNet, y según nuestros conocimientos hasta la fecha, es la primera vez que simulador de red está implicado en un algoritmo de planificación. Por otra parte, se ha desarrollado un algoritmo de optimización multi-objetivo para satisfacer las características de las redes inalámbricas de sensores. La capacidad de proporcionar múltiples soluciones optimizadas de forma simultánea permite a los usuarios tomar sus propias decisiones en consecuencia, obteniendo mejores resultados en comparación con otros algoritmos del estado del arte. iMOST se desarrolla mediante la integración de los algoritmos presentados, para ayudar de forma eficiente a los diseñadores en la planificación de WSNs fiables para diferentes configuraciones. El nombre abreviado iMOST (Intelligent Multi-objective Optimization Sensor network planning Tool) representa una herramienta inteligente de planificación de redes de sensores con optimización multi-objetivo. iMOST contribuye en: (1) Operación conveniente con una interfaz de fácil uso, (2) Reconstrucción eficiente y automática de una base de datos con información 3D y diseño rápido de objetos 3D para ambientes interiores y exteriores, (3) Proporciona varias soluciones de despliegue optimizadas para los multi-objetivo en 3D y permite a los usuarios configurar las propiedades de red, por lo que puede adaptarse a diversas aplicaciones de WSN, (4) las soluciones de implementación en el espacio 3D y el correspondiente rendimiento evaluado se presentan visualmente a los usuarios, y (5) El _Node Placement Module_de iMOST está disponible en línea, así como el código fuente de las otras dos heurísticas de planificación. Por lo tanto los diseñadores WSN se beneficiarán de esta herramienta para la construcción eficiente de la base de datos con información del entorno, la planificación práctica y eficiente de WSNs fiables tanto para aplicaciones interiores y exteriores. Con los códigos fuente abiertos, son capaces de comparar sus algoritmos desarrollados con los nuestros para contribuir a este campo académico. Por último, se obtienen resultados reales sólidos tanto para la planificación de WSN en interiores y exteriores. Los despliegues se han realizado tanto para ambientes de interior y como para ambientes de exterior utilizando las soluciones de planificación propuestas. Los resultados medidos coinciden en gran medida con los resultados estimados. El algoritmo de planificación x propuesto se adapta convenientemente al deiseño de redes de sensores inalámbricas, y ofrece flexibilidad para planificar los despliegues 3D a pequeña y gran escala tanto en interiores como en exteriores. La tesis se estructura en 7 capítulos. En el Capítulo 1, se presentan las aplicaciones de WSN y motivaciones de este trabajo, se revisan los algoritmos y herramientas de planificación del estado del arte, se presentan los retos y se describe brevemente la metodología propuesta. En el Capítulo 2, se presenta la metodología de reconstrucción de entornos 3D propuesta y su rendimiento es evaluado tanto para espacios exteriores como para espacios interiores. El motor de trazado de rayos desarrollado y el método de modelado de propagación de radio propuesto se describen en detalle en el Capítulo 3, evaluándose en términos de eficiencia computacional y precisión. En el Capítulo 4 se presenta el modelado de los parámetros importantes de las WSNs y el algoritmo de planificación de optimización multi-objetivo propuesto, el rendimiento se compara con los otros algoritmos de planificación descritos en el estado del arte. La herramienta inteligente de planificación de redes de sensores inalámbricas, iMOST, se describe en el Capítulo 5. En el Capítulo 6 se llevan a cabo despliegues reales de acuerdo a las soluciones previstas para los escenarios interiores y exteriores, se miden los datos importantes y se analizan los resultados. En el Capítulo 7 se concluye la tesis y se discute acerca de los trabajos futuros.

Técnicas de diseño de pruebas en sistemas embebidos

El software es, cada vez más, una parte muy importante de cualquier circuito electrónico moderno, por ejemplo, un circuito realizado con algún tipo de microprocesador debe incorporar un programa de control por pequeño que sea. Al utilizarse programas informáticos en los circuitos electrónicos modernos, es muy aconsejable, por no decir imprescindible, realizar una serie de pruebas de calidad del diseño realizado. Estas pruebas son cada vez más complicadas de realizar debido al gran tamaño del software empleado en los sistemas actuales, por este motivo, es necesario estructurar una serie de pruebas con el fin de realizar un sistema de calidad, y en algunos casos, un sistema que no presente ningún peligro para el ser humano o el medio ambiente. Esta propuesta consta de la explicación de las técnicas de diseño de pruebas que existen actualmente (por lo menos las más básicas ya que es un tema muy extenso) para realizar el control de calidad del software que puede contener un sistema embebido. Además, muchos circuitos electrónicos, debido a su control o exigencia hardware, es imprescindible que sean manipulados por algún programa que requiera más que un simple microprocesador, me refiero a que se deban controlar por medio de un pequeño programa manipulado por un sistema operativo, ya sea Linux, AIX, Unix, Windows, etc., en este caso el control de calidad se debería llevar a cabo con otras técnicas de diseño. También se puede dar el caso que el circuito electrónico a controlar se deba hacer por medio de una página web. El objetivo es realizar un estudio de las actuales técnicas de diseño de pruebas que están orientadas al desarrollo de sistemas embebidos. ABSTRACT. Software is increasingly a very important part of any modern electronic circuit, for example, a circuit made with some type of microprocessor must incorporate a control program no matter the small it is. When computer programs are used in modern electronic circuits, it is quite advisable if not indispensable to perform a series of quality tests of the design. These tests are becoming more and more difficult to be performed due to the large size of the software used in current systems, which is why it is necessary to structure a series of tests in order to perform a quality system, and in some cases, a system with no danger to humans or to the environment. This proposal consists of an explanation of the techniques used in the tests (at least the most basic ones since it is a very large topic) for quality control of software which may contain an embedded system. In addition, a lot of electronic circuits, due to its control or required hardware, it is essential to be manipulated by a program that requires more than a simple microprocessor, I mean that they must be controlled by means of a small program handled by an operating system, being Linux, AIX, Unix, Windows, etc., in this case the quality control should be carried out with other design techniques. The objective is to study the current test design techniques that are geared to the development of embedded systems. It can also occur that the electronic circuit should be controlled by means of a web page.

Desarrollo de un sistema automático de medida para el control del consumo en sistemas empotrados

El Grupo de Diseño Electrónico y Microelectrónico de la Universidad Politécnica de Madrid -GDEM- se dedica, entre otras cosas, al estudio y mejora del consumo en sistemas empotrados. Es en este lugar y sobre este tema donde el proyecto a exponer ha tomado forma y desarrollo. Según un artículo de la revista online Revista de Electrónica Embebida, un sistema empotrado o embebido es aquel “sistema controlado por un microprocesador y que gracias a la programación que incorpora o que se le debe incorporar, realiza una función específica para la que ha sido diseñado, integrando en su interior la mayoría de los elementos necesarios para realizar dicho función”. El porqué de estudiar sobre este tema responde a que, cada vez, hay mayor presencia de sistemas empotrados en nuestra vida cotidiana. Esto es debido a que se está tendiendo a dotar de “inteligencia” a todo lo que puedan hacer nuestra vida un poco más fácil. Nos podemos encontrar dichos sistemas en fábricas, oficinas de atención a los ciudadanos, sistemas de seguridad de hogar, relojes, móviles, lavadoras, hornos, aspiradores y un largo etcétera en cualquier aparato que nos podamos imaginar. A pesar de sus grandes ventajas, aún hay grandes inconvenientes. El mayor problema que supone a día de hoy es la autonomía del mismo sistema, ya que hablamos de aparatos que muchas veces están alimentados por baterías -para ayudar a su portabilidad–. Por esto, se está intentando dotar a dichos sistemas de una capacidad de ahorro de energía y toma de decisiones que podrían ayudar a duplicar la autonomía de dicha batería. Un ejemplo claro son los Smartphones de hoy en día, unos aparatos casi indispensables que pueden tener una autonomía de un día. Esto es poco práctico para el usuario en caso de viajes, trabajo u otras situaciones en las que se le dé mucho uso y no pueda tener acceso a una red eléctrica. Es por esto que surge la necesidad de investigar, sin necesidad de mejorar el hardware del sistema, una manera de mejorar esta situación. Este proyecto trabajará en esa línea creando un sistema automático de medida el cual generará las corrientes que servirán como entrada para verificar el sistema de adquisición que junto con la tarjeta Beagle Board permitirá la toma de decisiones en relación con el consumo de energía. Para realizar este sistema, nos ayudaremos de diferentes herramientas que podremos encontrar en el laboratorio del GDEM, como la fuente de alimentación Agilent y la Beagle Board –como principales herramientas de trabajo- . El objetivo principal será la simulación de unas señales que, después de pasar un proceso de conversión y tratado, harán la función de representación del consumo de cada una de las partes que pueden formar un sistema empotrado genérico. Por lo tanto, podemos decir que el sistema hará la funcionalidad de un banco de pruebas que ayudará a simular dicho consumo para que el microprocesador del sistema pueda llegar a tomar alguna decisión. ABSTRACT. The Electronic and Microelectronic Design Group of Universidad Politécnica de Madrid -GDEM- is in charge, between other issues, of improving the embedded system’s consumption. It is in this place and about this subject where the exposed project has taken shape and development. According to an article from de online magazine Revista de Electronica Embebida, an embedded system is “the one controlled by a microprocessor and, thanks to the programing that it includes, it carries out a specific function what it has been designed for, being integrated in it the most necessary elements for realizing the already said function”. The because of studying this subject, answers that each time there is more presence of the embedded system in our daily life. This is due to the tendency of providing “intelligence” to all what can make our lives easier. We can find this kind of systems in factories, offices, security systems, watchers, mobile phones, washing machines, ovens, hoovers and, definitely, in all kind of machines what we can think of. Despite its large vantages, there are still some inconveniences. Nowadays, the most important problem is the autonomy of the system itself when machines that have to be supplied by batteries –making easier the portability-. Therefore, this project is going after a save capacity of energy for the system as well as being able to take decisions in order to duplicate batteries’ autonomy. Smartphones are a clear example. They are a very successful product but the autonomy is just one day. This is not practical for users, at all, if they have to travel, to work or to do any activity that involves a huge use of the phone without a socket nearby. That is why the need of investigating a way to improve this situation. This project is working on this line, creating an automatic system that will generate the currents for verifying the acquisition system that, with the beagle board, will help taking decisions regarding the energy’s consumption. To carry out this system, we need different tools that we can find in the laboratory of the group previously mentioned, like power supply Agilent and the Beagle Board – as main working tools –. The main goal is the simulation of some signals that, after a conversion process, will represent de consumption of each of the parts in the embedded generic system. Therefore, the system will be a testing ground that simulate the consumption, once sent to the processor, to be processed and so the microprocessor system might take some decision.

Desarrollo e implementación de un sistema robótico aéreo con programación tridimensional orientado al recorrido de rutas

En la actualidad se estudia en numerosos campos cómo automatizar distintas tareas ejecutadas por aeronaves con tripulación humana. Estas tareas son en todos los casos muy costosos, debido al gran consumo de combustible, gran coste de adquisición y mantenimiento de la propia aeronave, todo ello sin contar el riesgo para los mismos tripulantes. Como ejemplo de estas tareas se puede incluir la vigilancia policial y fronteriza, revisiones de tendidos de alta tensión, la alerta temprana de incendios forestales y la medición de parámetros contaminantes. El objetivo de este proyecto es el diseño y la construcción de un prototipo electrónico empotrado basado en microcontrolador con núcleo C8051 de Silicon labs, que sea capaz de gobernar una aeronave de radiocontrol de forma transparente, de manera que en un futuro se pueda sustituir el propio aeromodelo, con la modificación de algunos parámetros, para poder incorporar sistemas de video o distintos medios de detección de variables. El prototipo seguirá una ruta confeccionada y transferida como un archivo de texto con un formato determinado que contendrá los datos necesarios para poder navegar mediante GPS. El trabajo con los modelos de motorización térmica (motores de combustión interna tipo glow, en este caso) resulta peligroso debido a la gran energía que son capaces de alcanzar. A fin de mantener la máxima seguridad durante la evolución del proyecto, se ha diseñado un proceso de tres partes independientes que permitan la correcta familiarización de los distintos componentes que se emplearán. Las fases son las siguientes: 1. Test y modelado de todos los componentes mediante pequeños montajes con protoboard de inserción y programas individuales. Se realizará mediante una tarjeta multipropósito que contendrá un microcontrolador similar en características, aunque de menor complejidad, al del prototipo final. 2. Integración de todos los componentes mediante una tarjeta especialmente diseñada que servirá de interfaz entre la tarjeta multipropósito y todo el hardware necesario para el control de un vehículo terrestre de iguales características (actuadores y motorización) al aeromodelo. 3. Diseño de un sistema embebido que concentre todos los subsistemas desarrollados en las fases anteriores y que integre todos los componentes necesarios para el gobierno de una aeronave de ala fija. ABSTRACT. Nowadays, the way of automating different tasks done by manned vehicles is studied. These tasks are any case very expensive, due to large fuel consumption, costs of aircraft buying, without taking into account the risk for human crew. As an example of these tasks, we can include policing or border surveillance, maintenance of high voltage lines, early warning of forest fire and measuring of pollution parameters. The target of this project is the design and construction of an embedded electronic prototype, based on a microcontroller with C8051 core from Silicon labs, and it will be able to controlling an aircraft transparently, in order that in the future the flying model could be changed with the modification of some parameters, and video or any variables detection systems could be added. The prototype will follow a designed and transferred path as an plain text file with a given format, that will contain all the necessary data for GPS navigation. Working with heat engine models (internal combustion engine, glow type, in this case) becomes dangerous due to the large energy that can be able to acquire. In order to keep the maximum safety level during the project evolution a three independent stages process have been designed, this allows familiarizing properly with the parts that will be used. The stages are as follows: 1. Test and modeling of all of the parts by little assemblies with through-hole protoboard and stand alone programs. It will be done with a multipurpose card which contains a microcontroller of similar characteristics, although less complex, of the final prototype. 2. Integrating of all of parts through a dedicated design card that will serve as interface between multipurpose card and all the necessary hardware for controlling a ground vehicle with the same characteristics (actuators and engine) of the flying model. 3. Embedded system designing that contains all the developed subsystems in the previous stages and integrates all the necessary parts for controlling a fixed-wing aircraft.

PCCMuTe v2.2: una herramienta para medir el consumo de energía en sistemas empotrados

Este Proyecto Fin de Grado (PFG) recoge el trabajo de depuración realizado sobre el prototipo PCCMuTe v2.2, un sistema empotrado que dispone de la instrumentación necesaria para medir el consumo de potencia/energía en cada uno de sus dominios de tensión, y posteriormente digitalizar y enviar los resultados al procesador que se encuentra en su interior. Su uso permite la obtención de información en tiempo real sobre el consumo del hardware de la placa, en especial del procesador, pudiendo relacionar la potencia consumida con el software ejecutado. El proyecto está orientado a medir el consumo de energía derivado de la decodificación de vídeo. El software utilizado para controlar el hardware se basa en Linux. En este proyecto se distinguen principalmente dos actividades, depuración hardware y depuración software. Los resultados muestran avances en la depuración hardware hasta obtener un prototipo en completo funcionamiento. Los avances en el apartado del software habilitan las comunicaciones SPI, necesarias para la transmisión de los resultados de consumo al procesador. En la fase final de este PFG se hace uso de una aplicación previamente desarrollada por miembros del GDEM con la que se obtienen los primeros datos de consumo, pero por falta de tiempo estos resultados no pueden ser verificados. Por la misma razón no ha sido posible diseñar y codificar una nueva aplicación que mejore la forma en la que se obtienen esos datos. ABSTRACT. This bachelor final project includes the debugging work done on the prototype PCCMuTe v2.2, an embedded system with the necessary instrumentation to measure the power/ energy consumption in each of its voltage domains, scan and send the results to its processor. The purpose of this device is to obtain real-time information about the hardware power consumption, especially from the processor, being able to relate the power consumed with the software executed. The project aims to measure the energy consumption of video decoding. The software used to control the hardware is based on Linux. In this project there are two main activities: hardware and software debugging. The results show advances in hardware debugging, and finally a fully functioning prototype is obtained. Advances in software debugging enable SPI communications, used to transmit the consumption data to the processor. In the last part of this final bachelor project an application previously coded by other members of the GDEM is used to obtain the first data. The results can not finally be verified because of the lack of time. For the same reason it is not possible to design and code a new application that improves the way the data is obtained.

Desing and Validation of a Light Inference System to Support Embedded Context Reasoning

Embedded context management in resource-constrained devices (e.g. mobile phones, autonomous sensors or smart objects) imposes special requirements in terms of lightness for data modelling and reasoning. In this paper, we explore the state-of-the-art on data representation and reasoning tools for embedded mobile reasoning and propose a light inference system (LIS) aiming at simplifying embedded inference processes offering a set of functionalities to avoid redundancy in context management operations. The system is part of a service-oriented mobile software framework, conceived to facilitate the creation of context-aware applications—it decouples sensor data acquisition and context processing from the application logic. LIS, composed of several modules, encapsulates existing lightweight tools for ontology data management and rule-based reasoning, and it is ready to run on Java-enabled handheld devices. Data management and reasoning processes are designed to handle a general ontology that enables communication among framework components. Both the applications running on top of the framework and the framework components themselves can configure the rule and query sets in order to retrieve the information they need from LIS. In order to test LIS features in a real application scenario, an ‘Activity Monitor’ has been designed and implemented: a personal health-persuasive application that provides feedback on the user’s lifestyle, combining data from physical and virtual sensors. In this case of use, LIS is used to timely evaluate the user’s activity level, to decide on the convenience of triggering notifications and to determine the best interface or channel to deliver these context-aware alerts.d

Design and Validation of a Light Inference System to Support Embedded Context Reasoning

Embedded context management in resource-constrained devices (e.g. mobile phones, autonomous sensors or smart objects) imposes special requirements in terms of lightness for data modelling and reasoning. In this paper, we explore the state-of-the-art on data representation and reasoning tools for embedded mobile reasoning and propose a light inference system (LIS) aiming at simplifying embedded inference processes offering a set of functionalities to avoid redundancy in context management operations. The system is part of a service-oriented mobile software framework, conceived to facilitate the creation of context-aware applications?it decouples sensor data acquisition and context processing from the application logic. LIS, composed of several modules, encapsulates existing lightweight tools for ontology data management and rule-based reasoning, and it is ready to run on Java-enabled handheld devices. Data management and reasoning processes are designed to handle a general ontology that enables communication among framework components. Both the applications running on top of the framework and the framework components themselves can configure the rule and query sets in order to retrieve the information they need from LIS. In order to test LIS features in a real application scenario, an ?Activity Monitor? has been designed and implemented: a personal health-persuasive application that provides feedback on the user?s lifestyle, combining data from physical and virtual sensors. In this case of use, LIS is used to timely evaluate the user?s activity level, to decide on the convenience of triggering notifications and to determine the best interface or channel to deliver these context-aware alerts.

Desarrollo de aplicaciones basadas en Linux Embedded en una arquitectura basada en Cyclone V SoC (System on Chip) de Altera

We attempt to integrate and start up the set of necessary tools to deploy the design cycle of embedded systems based on Embedded Linux on a "Cyclone V SoC" made by Altera. First, we will analyze the available tools for designing the hardware system of the SoCkit development kit, made by Arrow, which has a "Cyclone V SoC" system (based on a "ARM Cortex-A9 MP Core" architecture). When designing the SoCkit board hardware, we will create a new peripheral to integrate it into the hardware system, so it can be used as any other existent resource of the SoCkit board previously configured. Next, we will analyze the tools to generate an Embedded Linux distribution adapted to the SoCkit board. In order to generate the Linux distribution we will use, on the one hand, a software package from Yocto recommended by Altera; on the other hand, the programs and tools of Altera, Embedded Development Suite. We will integrate all the components needed to build the Embedded Linux distribution, creating a complete and functional system which can be used for developing software applications. Finally, we will study the programs for developing and debugging applications in C or C++ language that will be executed in this hardware platform, then we will program a Linux application as an example to illustrate the use of SoCkit board resources. RESUMEN Se pretende integrar y poner en funcionamiento el conjunto de herramientas necesarias para desplegar el ciclo de diseño de sistemas embebidos basados en "Embedded Linux" sobre una "Cyclone V SoC" de Altera. En primer lugar, se analizarán las diversas herramientas disponibles para diseñar el sistema hardware de la tarjeta de desarrollo SoCkit, fabricada por Arrow, que dispone de un sistema "Cyclone V SoC" (basado en una arquitectura "ARM Cortex A9 MP Core"). En el diseño hardware de la SoCkit se creará un periférico propio y se integrará en el sistema, pudiendo ser utilizado como cualquier otro recurso de la tarjeta ya existente y configurado. A continuación, también se analizarán las herramientas para generar una distribución de "Embedded Linux" adaptado a la placa SoCkit. Para generar la distribución de Linux se utilizará, por una parte, un paquete software de Yocto recomendado por Altera y, por otra parte, las propias herramientas y programas de Altera. Se integrarán todos los componentes necesarios para construir la distribución Linux, creando un sistema completo y funcional que se pueda utilizar para el desarrollo de aplicaciones software. Por último, se estudiarán las herramientas para el diseño y depuración de aplicaciones en lenguaje C ó C++ que se ejecutarán en esta plataforma hardware. Se pretende desarrollar una aplicación de ejemplo para ilustrar el uso de los recursos más utilizados de la SoCkit.

Random-modulation cw lidar system for space-borne carbon dioxide remote sensing based on a high-brightness semiconductor laser

In this paper, we report on the progresses of the BRITESPACE Consortium in order to achieve space-borne LIDAR measurements of atmospheric carbon dioxide concentration based on an all semiconductor laser source at 1.57 ?m. The complete design of the proposed RM-CW IPDA LIDAR has been presented and described in detail. Complete descriptions of the laser module and the FSU have been presented. Two bended MOPAs, emitting at the sounding frequency of the on- and off- IPDA channels, have been proposed as the transmitter optical sources with the required high brightness. Experimental results on the bended MOPAs have been presented showing a high spectral purity and promising expectations on the high output power requirements. Finally, the RM-CW approach has been modelled and an estimation of the expected SNR for the entire system is presented. Preliminary results indicate that a CO2 retrieval precision of 1.5 ppm could be achieved with an average output power of 2 W for each channel.

Parametric and structural self-adaptation of embedded systems using evolvable hardware

Los sistemas empotrados han sido concebidos tradicionalmente como sistemas de procesamiento específicos que realizan una tarea fija durante toda su vida útil. Para cumplir con requisitos estrictos de coste, tamaño y peso, el equipo de diseño debe optimizar su funcionamiento para condiciones muy específicas. Sin embargo, la demanda de mayor versatilidad, un funcionamiento más inteligente y, en definitiva, una mayor capacidad de procesamiento comenzaron a chocar con estas limitaciones, agravado por la incertidumbre asociada a entornos de operación cada vez más dinámicos donde comenzaban a ser desplegados progresivamente. Esto trajo como resultado una necesidad creciente de que los sistemas pudieran responder por si solos a eventos inesperados en tiempo diseño tales como: cambios en las características de los datos de entrada y el entorno del sistema en general; cambios en la propia plataforma de cómputo, por ejemplo debido a fallos o defectos de fabricación; y cambios en las propias especificaciones funcionales causados por unos objetivos del sistema dinámicos y cambiantes. Como consecuencia, la complejidad del sistema aumenta, pero a cambio se habilita progresivamente una capacidad de adaptación autónoma sin intervención humana a lo largo de la vida útil, permitiendo que tomen sus propias decisiones en tiempo de ejecución. Éstos sistemas se conocen, en general, como sistemas auto-adaptativos y tienen, entre otras características, las de auto-configuración, auto-optimización y auto-reparación. Típicamente, la parte soft de un sistema es mayoritariamente la única utilizada para proporcionar algunas capacidades de adaptación a un sistema. Sin embargo, la proporción rendimiento/potencia en dispositivos software como microprocesadores en muchas ocasiones no es adecuada para sistemas empotrados. En este escenario, el aumento resultante en la complejidad de las aplicaciones está siendo abordado parcialmente mediante un aumento en la complejidad de los dispositivos en forma de multi/many-cores; pero desafortunadamente, esto hace que el consumo de potencia también aumente. Además, la mejora en metodologías de diseño no ha sido acorde como para poder utilizar toda la capacidad de cómputo disponible proporcionada por los núcleos. Por todo ello, no se están satisfaciendo adecuadamente las demandas de cómputo que imponen las nuevas aplicaciones. La solución tradicional para mejorar la proporción rendimiento/potencia ha sido el cambio a unas especificaciones hardware, principalmente usando ASICs. Sin embargo, los costes de un ASIC son altamente prohibitivos excepto en algunos casos de producción en masa y además la naturaleza estática de su estructura complica la solución a las necesidades de adaptación. Los avances en tecnologías de fabricación han hecho que la FPGA, una vez lenta y pequeña, usada como glue logic en sistemas mayores, haya crecido hasta convertirse en un dispositivo de cómputo reconfigurable de gran potencia, con una cantidad enorme de recursos lógicos computacionales y cores hardware empotrados de procesamiento de señal y de propósito general. Sus capacidades de reconfiguración han permitido combinar la flexibilidad propia del software con el rendimiento del procesamiento en hardware, lo que tiene la potencialidad de provocar un cambio de paradigma en arquitectura de computadores, pues el hardware no puede ya ser considerado más como estático. El motivo es que como en el caso de las FPGAs basadas en tecnología SRAM, la reconfiguración parcial dinámica (DPR, Dynamic Partial Reconfiguration) es posible. Esto significa que se puede modificar (reconfigurar) un subconjunto de los recursos computacionales en tiempo de ejecución mientras el resto permanecen activos. Además, este proceso de reconfiguración puede ser ejecutado internamente por el propio dispositivo. El avance tecnológico en dispositivos hardware reconfigurables se encuentra recogido bajo el campo conocido como Computación Reconfigurable (RC, Reconfigurable Computing). Uno de los campos de aplicación más exóticos y menos convencionales que ha posibilitado la computación reconfigurable es el conocido como Hardware Evolutivo (EHW, Evolvable Hardware), en el cual se encuentra enmarcada esta tesis. La idea principal del concepto consiste en convertir hardware que es adaptable a través de reconfiguración en una entidad evolutiva sujeta a las fuerzas de un proceso evolutivo inspirado en el de las especies biológicas naturales, que guía la dirección del cambio. Es una aplicación más del campo de la Computación Evolutiva (EC, Evolutionary Computation), que comprende una serie de algoritmos de optimización global conocidos como Algoritmos Evolutivos (EA, Evolutionary Algorithms), y que son considerados como algoritmos universales de resolución de problemas. En analogía al proceso biológico de la evolución, en el hardware evolutivo el sujeto de la evolución es una población de circuitos que intenta adaptarse a su entorno mediante una adecuación progresiva generación tras generación. Los individuos pasan a ser configuraciones de circuitos en forma de bitstreams caracterizados por descripciones de circuitos reconfigurables. Seleccionando aquellos que se comportan mejor, es decir, que tienen una mejor adecuación (o fitness) después de ser evaluados, y usándolos como padres de la siguiente generación, el algoritmo evolutivo crea una nueva población hija usando operadores genéticos como la mutación y la recombinación. Según se van sucediendo generaciones, se espera que la población en conjunto se aproxime a la solución óptima al problema de encontrar una configuración del circuito adecuada que satisfaga las especificaciones. El estado de la tecnología de reconfiguración después de que la familia de FPGAs XC6200 de Xilinx fuera retirada y reemplazada por las familias Virtex a finales de los 90, supuso un gran obstáculo para el avance en hardware evolutivo; formatos de bitstream cerrados (no conocidos públicamente); dependencia de herramientas del fabricante con soporte limitado de DPR; una velocidad de reconfiguración lenta; y el hecho de que modificaciones aleatorias del bitstream pudieran resultar peligrosas para la integridad del dispositivo, son algunas de estas razones. Sin embargo, una propuesta a principios de los años 2000 permitió mantener la investigación en el campo mientras la tecnología de DPR continuaba madurando, el Circuito Virtual Reconfigurable (VRC, Virtual Reconfigurable Circuit). En esencia, un VRC en una FPGA es una capa virtual que actúa como un circuito reconfigurable de aplicación específica sobre la estructura nativa de la FPGA que reduce la complejidad del proceso reconfiguración y aumenta su velocidad (comparada con la reconfiguración nativa). Es un array de nodos computacionales especificados usando descripciones HDL estándar que define recursos reconfigurables ad-hoc: multiplexores de rutado y un conjunto de elementos de procesamiento configurables, cada uno de los cuales tiene implementadas todas las funciones requeridas, que pueden seleccionarse a través de multiplexores tal y como ocurre en una ALU de un microprocesador. Un registro grande actúa como memoria de configuración, por lo que la reconfiguración del VRC es muy rápida ya que tan sólo implica la escritura de este registro, el cual controla las señales de selección del conjunto de multiplexores. Sin embargo, esta capa virtual provoca: un incremento de área debido a la implementación simultánea de cada función en cada nodo del array más los multiplexores y un aumento del retardo debido a los multiplexores, reduciendo la frecuencia de funcionamiento máxima. La naturaleza del hardware evolutivo, capaz de optimizar su propio comportamiento computacional, le convierten en un buen candidato para avanzar en la investigación sobre sistemas auto-adaptativos. Combinar un sustrato de cómputo auto-reconfigurable capaz de ser modificado dinámicamente en tiempo de ejecución con un algoritmo empotrado que proporcione una dirección de cambio, puede ayudar a satisfacer los requisitos de adaptación autónoma de sistemas empotrados basados en FPGA. La propuesta principal de esta tesis está por tanto dirigida a contribuir a la auto-adaptación del hardware de procesamiento de sistemas empotrados basados en FPGA mediante hardware evolutivo. Esto se ha abordado considerando que el comportamiento computacional de un sistema puede ser modificado cambiando cualquiera de sus dos partes constitutivas: una estructura hard subyacente y un conjunto de parámetros soft. De esta distinción, se derivan dos lineas de trabajo. Por un lado, auto-adaptación paramétrica, y por otro auto-adaptación estructural. El objetivo perseguido en el caso de la auto-adaptación paramétrica es la implementación de técnicas de optimización evolutiva complejas en sistemas empotrados con recursos limitados para la adaptación paramétrica online de circuitos de procesamiento de señal. La aplicación seleccionada como prueba de concepto es la optimización para tipos muy específicos de imágenes de los coeficientes de los filtros de transformadas wavelet discretas (DWT, DiscreteWavelet Transform), orientada a la compresión de imágenes. Por tanto, el objetivo requerido de la evolución es una compresión adaptativa y más eficiente comparada con los procedimientos estándar. El principal reto radica en reducir la necesidad de recursos de supercomputación para el proceso de optimización propuesto en trabajos previos, de modo que se adecúe para la ejecución en sistemas empotrados. En cuanto a la auto-adaptación estructural, el objetivo de la tesis es la implementación de circuitos auto-adaptativos en sistemas evolutivos basados en FPGA mediante un uso eficiente de sus capacidades de reconfiguración nativas. En este caso, la prueba de concepto es la evolución de tareas de procesamiento de imagen tales como el filtrado de tipos desconocidos y cambiantes de ruido y la detección de bordes en la imagen. En general, el objetivo es la evolución en tiempo de ejecución de tareas de procesamiento de imagen desconocidas en tiempo de diseño (dentro de un cierto grado de complejidad). En este caso, el objetivo de la propuesta es la incorporación de DPR en EHW para evolucionar la arquitectura de un array sistólico adaptable mediante reconfiguración cuya capacidad de evolución no había sido estudiada previamente. Para conseguir los dos objetivos mencionados, esta tesis propone originalmente una plataforma evolutiva que integra un motor de adaptación (AE, Adaptation Engine), un motor de reconfiguración (RE, Reconfiguration Engine) y un motor computacional (CE, Computing Engine) adaptable. El el caso de adaptación paramétrica, la plataforma propuesta está caracterizada por: • un CE caracterizado por un núcleo de procesamiento hardware de DWT adaptable mediante registros reconfigurables que contienen los coeficientes de los filtros wavelet • un algoritmo evolutivo como AE que busca filtros wavelet candidatos a través de un proceso de optimización paramétrica desarrollado específicamente para sistemas caracterizados por recursos de procesamiento limitados • un nuevo operador de mutación simplificado para el algoritmo evolutivo utilizado, que junto con un mecanismo de evaluación rápida de filtros wavelet candidatos derivado de la literatura actual, asegura la viabilidad de la búsqueda evolutiva asociada a la adaptación de wavelets. En el caso de adaptación estructural, la plataforma propuesta toma la forma de: • un CE basado en una plantilla de array sistólico reconfigurable de 2 dimensiones compuesto de nodos de procesamiento reconfigurables • un algoritmo evolutivo como AE que busca configuraciones candidatas del array usando un conjunto de funcionalidades de procesamiento para los nodos disponible en una biblioteca accesible en tiempo de ejecución • un RE hardware que explota la capacidad de reconfiguración nativa de las FPGAs haciendo un uso eficiente de los recursos reconfigurables del dispositivo para cambiar el comportamiento del CE en tiempo de ejecución • una biblioteca de elementos de procesamiento reconfigurables caracterizada por bitstreams parciales independientes de la posición, usados como el conjunto de configuraciones disponibles para los nodos de procesamiento del array Las contribuciones principales de esta tesis se pueden resumir en la siguiente lista: • Una plataforma evolutiva basada en FPGA para la auto-adaptación paramétrica y estructural de sistemas empotrados compuesta por un motor computacional (CE), un motor de adaptación (AE) evolutivo y un motor de reconfiguración (RE). Esta plataforma se ha desarrollado y particularizado para los casos de auto-adaptación paramétrica y estructural. • En cuanto a la auto-adaptación paramétrica, las contribuciones principales son: – Un motor computacional adaptable mediante registros que permite la adaptación paramétrica de los coeficientes de una implementación hardware adaptativa de un núcleo de DWT. – Un motor de adaptación basado en un algoritmo evolutivo desarrollado específicamente para optimización numérica, aplicada a los coeficientes de filtros wavelet en sistemas empotrados con recursos limitados. – Un núcleo IP de DWT auto-adaptativo en tiempo de ejecución para sistemas empotrados que permite la optimización online del rendimiento de la transformada para compresión de imágenes en entornos específicos de despliegue, caracterizados por tipos diferentes de señal de entrada. – Un modelo software y una implementación hardware de una herramienta para la construcción evolutiva automática de transformadas wavelet específicas. • Por último, en cuanto a la auto-adaptación estructural, las contribuciones principales son: – Un motor computacional adaptable mediante reconfiguración nativa de FPGAs caracterizado por una plantilla de array sistólico en dos dimensiones de nodos de procesamiento reconfigurables. Es posible mapear diferentes tareas de cómputo en el array usando una biblioteca de elementos sencillos de procesamiento reconfigurables. – Definición de una biblioteca de elementos de procesamiento apropiada para la síntesis autónoma en tiempo de ejecución de diferentes tareas de procesamiento de imagen. – Incorporación eficiente de la reconfiguración parcial dinámica (DPR) en sistemas de hardware evolutivo, superando los principales inconvenientes de propuestas previas como los circuitos reconfigurables virtuales (VRCs). En este trabajo también se comparan originalmente los detalles de implementación de ambas propuestas. – Una plataforma tolerante a fallos, auto-curativa, que permite la recuperación funcional online en entornos peligrosos. La plataforma ha sido caracterizada desde una perspectiva de tolerancia a fallos: se proponen modelos de fallo a nivel de CLB y de elemento de procesamiento, y usando el motor de reconfiguración, se hace un análisis sistemático de fallos para un fallo en cada elemento de procesamiento y para dos fallos acumulados. – Una plataforma con calidad de filtrado dinámica que permite la adaptación online a tipos de ruido diferentes y diferentes comportamientos computacionales teniendo en cuenta los recursos de procesamiento disponibles. Por un lado, se evolucionan filtros con comportamientos no destructivos, que permiten esquemas de filtrado en cascada escalables; y por otro, también se evolucionan filtros escalables teniendo en cuenta requisitos computacionales de filtrado cambiantes dinámicamente. Este documento está organizado en cuatro partes y nueve capítulos. La primera parte contiene el capítulo 1, una introducción y motivación sobre este trabajo de tesis. A continuación, el marco de referencia en el que se enmarca esta tesis se analiza en la segunda parte: el capítulo 2 contiene una introducción a los conceptos de auto-adaptación y computación autonómica (autonomic computing) como un campo de investigación más general que el muy específico de este trabajo; el capítulo 3 introduce la computación evolutiva como la técnica para dirigir la adaptación; el capítulo 4 analiza las plataformas de computación reconfigurables como la tecnología para albergar hardware auto-adaptativo; y finalmente, el capítulo 5 define, clasifica y hace un sondeo del campo del hardware evolutivo. Seguidamente, la tercera parte de este trabajo contiene la propuesta, desarrollo y resultados obtenidos: mientras que el capítulo 6 contiene una declaración de los objetivos de la tesis y la descripción de la propuesta en su conjunto, los capítulos 7 y 8 abordan la auto-adaptación paramétrica y estructural, respectivamente. Finalmente, el capítulo 9 de la parte 4 concluye el trabajo y describe caminos de investigación futuros. ABSTRACT Embedded systems have traditionally been conceived to be specific-purpose computers with one, fixed computational task for their whole lifetime. Stringent requirements in terms of cost, size and weight forced designers to highly optimise their operation for very specific conditions. However, demands for versatility, more intelligent behaviour and, in summary, an increased computing capability began to clash with these limitations, intensified by the uncertainty associated to the more dynamic operating environments where they were progressively being deployed. This brought as a result an increasing need for systems to respond by themselves to unexpected events at design time, such as: changes in input data characteristics and system environment in general; changes in the computing platform itself, e.g., due to faults and fabrication defects; and changes in functional specifications caused by dynamically changing system objectives. As a consequence, systems complexity is increasing, but in turn, autonomous lifetime adaptation without human intervention is being progressively enabled, allowing them to take their own decisions at run-time. This type of systems is known, in general, as selfadaptive, and are able, among others, of self-configuration, self-optimisation and self-repair. Traditionally, the soft part of a system has mostly been so far the only place to provide systems with some degree of adaptation capabilities. However, the performance to power ratios of software driven devices like microprocessors are not adequate for embedded systems in many situations. In this scenario, the resulting rise in applications complexity is being partly addressed by rising devices complexity in the form of multi and many core devices; but sadly, this keeps on increasing power consumption. Besides, design methodologies have not been improved accordingly to completely leverage the available computational power from all these cores. Altogether, these factors make that the computing demands new applications pose are not being wholly satisfied. The traditional solution to improve performance to power ratios has been the switch to hardware driven specifications, mainly using ASICs. However, their costs are highly prohibitive except for some mass production cases and besidesthe static nature of its structure complicates the solution to the adaptation needs. The advancements in fabrication technologies have made that the once slow, small FPGA used as glue logic in bigger systems, had grown to be a very powerful, reconfigurable computing device with a vast amount of computational logic resources and embedded, hardened signal and general purpose processing cores. Its reconfiguration capabilities have enabled software-like flexibility to be combined with hardware-like computing performance, which has the potential to cause a paradigm shift in computer architecture since hardware cannot be considered as static anymore. This is so, since, as is the case with SRAMbased FPGAs, Dynamic Partial Reconfiguration (DPR) is possible. This means that subsets of the FPGA computational resources can now be changed (reconfigured) at run-time while the rest remains active. Besides, this reconfiguration process can be triggered internally by the device itself. This technological boost in reconfigurable hardware devices is actually covered under the field known as Reconfigurable Computing. One of the most exotic fields of application that Reconfigurable Computing has enabled is the known as Evolvable Hardware (EHW), in which this dissertation is framed. The main idea behind the concept is turning hardware that is adaptable through reconfiguration into an evolvable entity subject to the forces of an evolutionary process, inspired by that of natural, biological species, that guides the direction of change. It is yet another application of the field of Evolutionary Computation (EC), which comprises a set of global optimisation algorithms known as Evolutionary Algorithms (EAs), considered as universal problem solvers. In analogy to the biological process of evolution, in EHW the subject of evolution is a population of circuits that tries to get adapted to its surrounding environment by progressively getting better fitted to it generation after generation. Individuals become circuit configurations representing bitstreams that feature reconfigurable circuit descriptions. By selecting those that behave better, i.e., with a higher fitness value after being evaluated, and using them as parents of the following generation, the EA creates a new offspring population by using so called genetic operators like mutation and recombination. As generations succeed one another, the whole population is expected to approach to the optimum solution to the problem of finding an adequate circuit configuration that fulfils system objectives. The state of reconfiguration technology after Xilinx XC6200 FPGA family was discontinued and replaced by Virtex families in the late 90s, was a major obstacle for advancements in EHW; closed (non publicly known) bitstream formats; dependence on manufacturer tools with highly limiting support of DPR; slow speed of reconfiguration; and random bitstream modifications being potentially hazardous for device integrity, are some of these reasons. However, a proposal in the first 2000s allowed to keep investigating in this field while DPR technology kept maturing, the Virtual Reconfigurable Circuit (VRC). In essence, a VRC in an FPGA is a virtual layer acting as an application specific reconfigurable circuit on top of an FPGA fabric that reduces the complexity of the reconfiguration process and increases its speed (compared to native reconfiguration). It is an array of computational nodes specified using standard HDL descriptions that define ad-hoc reconfigurable resources; routing multiplexers and a set of configurable processing elements, each one containing all the required functions, which are selectable through functionality multiplexers as in microprocessor ALUs. A large register acts as configuration memory, so VRC reconfiguration is very fast given it only involves writing this register, which drives the selection signals of the set of multiplexers. However, large overheads are introduced by this virtual layer; an area overhead due to the simultaneous implementation of every function in every node of the array plus the multiplexers, and a delay overhead due to the multiplexers, which also reduces maximum frequency of operation. The very nature of Evolvable Hardware, able to optimise its own computational behaviour, makes it a good candidate to advance research in self-adaptive systems. Combining a selfreconfigurable computing substrate able to be dynamically changed at run-time with an embedded algorithm that provides a direction for change, can help fulfilling requirements for autonomous lifetime adaptation of FPGA-based embedded systems. The main proposal of this thesis is hence directed to contribute to autonomous self-adaptation of the underlying computational hardware of FPGA-based embedded systems by means of Evolvable Hardware. This is tackled by considering that the computational behaviour of a system can be modified by changing any of its two constituent parts: an underlying hard structure and a set of soft parameters. Two main lines of work derive from this distinction. On one side, parametric self-adaptation and, on the other side, structural self-adaptation. The goal pursued in the case of parametric self-adaptation is the implementation of complex evolutionary optimisation techniques in resource constrained embedded systems for online parameter adaptation of signal processing circuits. The application selected as proof of concept is the optimisation of Discrete Wavelet Transforms (DWT) filters coefficients for very specific types of images, oriented to image compression. Hence, adaptive and improved compression efficiency, as compared to standard techniques, is the required goal of evolution. The main quest lies in reducing the supercomputing resources reported in previous works for the optimisation process in order to make it suitable for embedded systems. Regarding structural self-adaptation, the thesis goal is the implementation of self-adaptive circuits in FPGA-based evolvable systems through an efficient use of native reconfiguration capabilities. In this case, evolution of image processing tasks such as filtering of unknown and changing types of noise and edge detection are the selected proofs of concept. In general, evolving unknown image processing behaviours (within a certain complexity range) at design time is the required goal. In this case, the mission of the proposal is the incorporation of DPR in EHW to evolve a systolic array architecture adaptable through reconfiguration whose evolvability had not been previously checked. In order to achieve the two stated goals, this thesis originally proposes an evolvable platform that integrates an Adaptation Engine (AE), a Reconfiguration Engine (RE) and an adaptable Computing Engine (CE). In the case of parametric adaptation, the proposed platform is characterised by: • a CE featuring a DWT hardware processing core adaptable through reconfigurable registers that holds wavelet filters coefficients • an evolutionary algorithm as AE that searches for candidate wavelet filters through a parametric optimisation process specifically developed for systems featured by scarce computing resources • a new, simplified mutation operator for the selected EA, that together with a fast evaluation mechanism of candidate wavelet filters derived from existing literature, assures the feasibility of the evolutionary search involved in wavelets adaptation In the case of structural adaptation, the platform proposal takes the form of: • a CE based on a reconfigurable 2D systolic array template composed of reconfigurable processing nodes • an evolutionary algorithm as AE that searches for candidate configurations of the array using a set of computational functionalities for the nodes available in a run time accessible library • a hardware RE that exploits native DPR capabilities of FPGAs and makes an efficient use of the available reconfigurable resources of the device to change the behaviour of the CE at run time • a library of reconfigurable processing elements featured by position-independent partial bitstreams used as the set of available configurations for the processing nodes of the array Main contributions of this thesis can be summarised in the following list. • An FPGA-based evolvable platform for parametric and structural self-adaptation of embedded systems composed of a Computing Engine, an evolutionary Adaptation Engine and a Reconfiguration Engine. This platform is further developed and tailored for both parametric and structural self-adaptation. • Regarding parametric self-adaptation, main contributions are: – A CE adaptable through reconfigurable registers that enables parametric adaptation of the coefficients of an adaptive hardware implementation of a DWT core. – An AE based on an Evolutionary Algorithm specifically developed for numerical optimisation applied to wavelet filter coefficients in resource constrained embedded systems. – A run-time self-adaptive DWT IP core for embedded systems that allows for online optimisation of transform performance for image compression for specific deployment environments characterised by different types of input signals. – A software model and hardware implementation of a tool for the automatic, evolutionary construction of custom wavelet transforms. • Lastly, regarding structural self-adaptation, main contributions are: – A CE adaptable through native FPGA fabric reconfiguration featured by a two dimensional systolic array template of reconfigurable processing nodes. Different processing behaviours can be automatically mapped in the array by using a library of simple reconfigurable processing elements. – Definition of a library of such processing elements suited for autonomous runtime synthesis of different image processing tasks. – Efficient incorporation of DPR in EHW systems, overcoming main drawbacks from the previous approach of virtual reconfigurable circuits. Implementation details for both approaches are also originally compared in this work. – A fault tolerant, self-healing platform that enables online functional recovery in hazardous environments. The platform has been characterised from a fault tolerance perspective: fault models at FPGA CLB level and processing elements level are proposed, and using the RE, a systematic fault analysis for one fault in every processing element and for two accumulated faults is done. – A dynamic filtering quality platform that permits on-line adaptation to different types of noise and different computing behaviours considering the available computing resources. On one side, non-destructive filters are evolved, enabling scalable cascaded filtering schemes; and on the other, size-scalable filters are also evolved considering dynamically changing computational filtering requirements. This dissertation is organized in four parts and nine chapters. First part contains chapter 1, the introduction to and motivation of this PhD work. Following, the reference framework in which this dissertation is framed is analysed in the second part: chapter 2 features an introduction to the notions of self-adaptation and autonomic computing as a more general research field to the very specific one of this work; chapter 3 introduces evolutionary computation as the technique to drive adaptation; chapter 4 analyses platforms for reconfigurable computing as the technology to hold self-adaptive hardware; and finally chapter 5 defines, classifies and surveys the field of Evolvable Hardware. Third part of the work follows, which contains the proposal, development and results obtained: while chapter 6 contains an statement of the thesis goals and the description of the proposal as a whole, chapters 7 and 8 address parametric and structural self-adaptation, respectively. Finally, chapter 9 in part 4 concludes the work and describes future research paths.