Enhanced ethernet switching technology for adaptive hard real-time applications: Tecnologia de comutação ethernet melhorada para aplicações adaptativas e críticas de tempo-real

Os Sistemas Embarcados Distribuídos (SEDs) estão, hoje em dia, muito difundidos em vastas áreas, desde a automação industrial, a automóveis, aviões, até à distribuição de energia e protecção do meio ambiente. Estes sistemas são, essencialmente, caracterizados pela integração distribuída de aplicações embarcadas, autónomas mas cooperantes, explorando potenciais vantagens em termos de modularidade, facilidade de manutenção, custos de instalação, tolerância a falhas, entre outros. Contudo, o ambiente operacional onde se inserem estes tipos de sistemas pode impor restrições temporais rigorosas, exigindo que o sistema de comunicação subjacente consiga transmitir mensagens com garantias temporais. Contudo, os SEDs apresentam uma crescente complexidade, uma vez que integram subsistemas cada vez mais heterogéneos, quer ao nível do tráfego gerado, quer dos seus requisitos temporais. Em particular, estes subsistemas operam de forma esporádica, isto é, suportam mudanças operacionais de acordo com estímulos exteriores. Estes subsistemas também se reconfiguram dinamicamente de acordo com a actualização dos seus requisitos e, ainda, têm lidar com um número variável de solicitações de outros subsistemas. Assim sendo, o nível de utilização de recursos pode variar e, desta forma, as políticas de alocação estática tornam-se muito ineficientes. Consequentemente, é necessário um sistema de comunicação capaz de suportar com eficácia reconfigurações e adaptações dinâmicas. A tecnologia Ethernet comutada tem vindo a emergir como uma solução sólida para fornecer comunicações de tempo-real no âmbito dos SEDs, como comprovado pelo número de protocolos de tempo-real que foram desenvolvidos na última década. No entanto, nenhum dos protocolos existentes reúne as características necessárias para fornecer uma eficiente utilização da largura de banda e, simultaneamente, para respeitar os requisitos impostos pelos SEDs. Nomeadamente, a capacidade para controlar e policiar tráfego de forma robusta, conjugada com suporte à reconfiguração e adaptação dinâmica, não comprometendo as garantias de tempo-real. Esta dissertação defende a tese de que, pelo melhoramento dos comutadores Ethernet para disponibilizarem mecanismos de reconfiguração e isolamento de tráfego, é possível suportar aplicações de tempo-real críticas, que são adaptáveis ao ambiente onde estão inseridas.Em particular, é mostrado que as técnicas de projecto, baseadas em componentes e apoiadas no escalonamento hierárquico de servidores de tráfego, podem ser integradas nos comutadores Ethernet para alcançar as propriedades desejadas. Como suporte, é fornecida, também, uma solução para instanciar uma hierarquia reconfigurável de servidores de tráfego dentro do comutador, bem como a análise adequada ao modelo de escalonamento. Esta última fornece um limite superior para o tempo de resposta que os pacotes podem sofrer dentro dos servidores de tráfego, com base unicamente no conhecimento de um dado servidor e na hierarquia actual, isto é, sem o conhecimento das especifidades do tráfego dentro dos outros servidores. Finalmente, no âmbito do projecto HaRTES foi construído um protótipo do comutador Ethernet, o qual é baseado no paradigma “Flexible Time-Triggered”, que permite uma junção flexível de uma fase síncrona para o tráfego controlado pelo comutador e uma fase assíncrona que implementa a estrutura hierárquica de servidores referidos anteriormente. Além disso, as várias experiências práticas realizadas permitiram validar as propriedades desejadas e, consequentemente, a tese que fundamenta esta dissertação.

Demonstrador para rede tempo-real HaRTES

A utilização de sistemas embutidos distribuídos em diversas áreas como a robótica, automação industrial e aviónica tem vindo a generalizar-se no decorrer dos últimos anos. Este tipo de sistemas são compostos por vários nós, geralmente designados por sistemas embutidos. Estes nós encontram-se interligados através de uma infra-estrutura de comunicação de forma a possibilitar a troca de informação entre eles de maneira a concretizar um objetivo comum. Por norma os sistemas embutidos distribuídos apresentam requisitos temporais bastante exigentes. A tecnologia Ethernet e os protocolos de comunicação, com propriedades de tempo real, desenvolvidos para esta não conseguem associar de uma forma eficaz os requisitos temporais das aplicações de tempo real aos requisitos Quality of Service (QoS) dos diferentes tipos de tráfego. O switch Hard Real-Time Ethernet Switching (HaRTES) foi desenvolvido e implementado com o objetivo de solucionar estes problemas devido às suas capacidades como a sincronização de fluxos diferentes e gestão de diferentes tipos de tráfego. Esta dissertação apresenta a adaptação de um sistemas físico de modo a possibilitar a demonstração do correto funcionamento do sistema de comunicação, que será desenvolvido e implementado, utilizando um switch HaRTES como o elemento responsável pela troca de informação na rede entre os nós. O desempenho da arquitetura de rede desenvolvida será também testada e avaliada.

Iluminação em ambientes fabris: otimização e análise técnica-e-económica

Esta Dissertação aborda a temática da eficiência energética em sistemas de iluminação fabris. Desde os primórdios da história da humanidade que a iluminação tem representado um papel importante. Não só garante condições de segurança, como começou por ser o intuito primordial das fogueiras pré-históricas, traduzindo-se num elemento de conforto. Atualmente seria impensável conceber as mais diversas atividades económicas e produtivas de um país sem iluminação. Nesse sentido a iluminação representa também um elemento fomentador de produtividade. Não é bem conhecido o impacto que a iluminação tem nos custos operacionais de uma unidade fabril. Principalmente por ser difícil de quantificar separadamente na fatura de eletricidade qual a percentagem correspondente à iluminação. Tipicamente estes custos podem ascender a 20% do orçamento global da autarquia em países desenvolvidos. Por esse motivo, o sector da iluminação tem investido esforço no sentido de promover melhores soluções de iluminação capazes de por um lado de satisfazer os requisitos do espaço a iluminar, e por outro propiciar soluções eficientes do ponto de vista energético. Estas soluções assentam essencialmente no uso de dispositivos mais eficientes (como por exemplo os LED´s ou as lâmpadas compactas fluorescentes) bem como em estratégias de controlo eficientes baseadas em dados sensoriais (como por exemplo deteção de movimento/presença). A combinação destas estratégias permite reduzir os consumos em cerca de 80% quando comparadas com soluções passivas. A empresa Amorim Cork Research Lda. é uma empresa prestadora de serviços ao universo das empresas da Corticeira Amorim, uma das maiores multinacionais de origem portuguesa. Teve origem no negócio da cortiça, em 1870, sendo hoje líder destacada no sector a nível mundial. Dada a dimensão da empresa e a sua subdivisão em várias Unidades Industriais com requisitos individuais, será expectável que a iluminação represente uma parte significativa da fatura de eletricidade. Atualmente, os vários setores encontram-se equipados com soluções de iluminação diferentes, na sua maioria empregando tecnologias passivas, noutros casos com dispositivos eficientes. Há algum interesse em migrar para soluções mais eficientes, em parte suportadas em DALI (com interface de comunicação PLC ou Zigbee).

Utilização de sondas lambda em caldeiras de biomassa

Nos dias que correm a eficiência energética está na ordem do dia, havendo um esforço significativo para obter-se equipamentos cada vez mais eficientes. Uma parte significativa do consumo global de energia, bem como da emissão de gases nocivos e de efeito de estufa, está associado à climatização, quer doméstica quer industrial. Assim, é importante desenvolver tecnologias mais eficientes neste domínio. O principal objetivo deste trabalho consiste no desenvolvimento de um módulo de interface a uma sonda lambda para monitorização de combustão em caldeiras de biomassa. Este módulo permitirá medir a concentração de oxigénio presente na saída das caldeiras, possibilitando o ajuste dinâmico dos parâmetros de combustão por forma a maximizar o seu rendimento e minimizar a emissão de gases poluentes. O módulo desenvolvido é de baixo custo e apresenta uma interface bastante simples, facilitando a sua incorporação em equipamentos já existentes. Os resultados obtidos revelaram-se consistentes com os valores teóricos fornecidos pelo fabricante da sonda utilizada, podendo assim concluir-se que o trabalho foi realizado com sucesso.

Model-based systems engineering: a system for traffic & environment

The contemporary world is crowded of large, interdisciplinary, complex systems made of other systems, personnel, hardware, software, information, processes, and facilities. The Systems Engineering (SE) field proposes an integrated holistic approach to tackle these socio-technical systems that is crucial to take proper account of their multifaceted nature and numerous interrelationships, providing the means to enable their successful realization. Model-Based Systems Engineering (MBSE) is an emerging paradigm in the SE field and can be described as the formalized application of modelling principles, methods, languages, and tools to the entire lifecycle of those systems, enhancing communications and knowledge capture, shared understanding, improved design precision and integrity, better development traceability, and reduced development risks. This thesis is devoted to the application of the novel MBSE paradigm to the Urban Traffic & Environment domain. The proposed system, the GUILTE (Guiding Urban Intelligent Traffic & Environment), deals with a present-day real challenging problem “at the agenda” of world leaders, national governors, local authorities, research agencies, academia, and general public. The main purposes of the system are to provide an integrated development framework for the municipalities, and to support the (short-time and real-time) operations of the urban traffic through Intelligent Transportation Systems, highlighting two fundamental aspects: the evaluation of the related environmental impacts (in particular, the air pollution and the noise), and the dissemination of information to the citizens, endorsing their involvement and participation. These objectives are related with the high-level complex challenge of developing sustainable urban transportation networks. The development process of the GUILTE system is supported by a new methodology, the LITHE (Agile Systems Modelling Engineering), which aims to lightening the complexity and burdensome of the existing methodologies by emphasizing agile principles such as continuous communication, feedback, stakeholders involvement, short iterations and rapid response. These principles are accomplished through a universal and intuitive SE process, the SIMILAR process model (which was redefined at the light of the modern international standards), a lean MBSE method, and a coherent System Model developed through the benchmark graphical modeling languages SysML and OPDs/OPL. The main contributions of the work are, in their essence, models and can be settled as: a revised process model for the SE field, an agile methodology for MBSE development environments, a graphical tool to support the proposed methodology, and a System Model for the GUILTE system. The comprehensive literature reviews provided for the main scientific field of this research (SE/MBSE) and for the application domain (Traffic & Environment) can also be seen as a relevant contribution.

Cooperative positioning for heterogeneous wireless systems

Future emerging market trends head towards positioning based services placing a new perspective on the way we obtain and exploit positioning information. On one hand, innovations in information technology and wireless communication systems enabled the development of numerous location based applications such as vehicle navigation and tracking, sensor networks applications, home automation, asset management, security and context aware location services. On the other hand, wireless networks themselves may bene t from localization information to improve the performances of di erent network layers. Location based routing, synchronization, interference cancellation are prime examples of applications where location information can be useful. Typical positioning solutions rely on measurements and exploitation of distance dependent signal metrics, such as the received signal strength, time of arrival or angle of arrival. They are cheaper and easier to implement than the dedicated positioning systems based on ngerprinting, but at the cost of accuracy. Therefore intelligent localization algorithms and signal processing techniques have to be applied to mitigate the lack of accuracy in distance estimates. Cooperation between nodes is used in cases where conventional positioning techniques do not perform well due to lack of existing infrastructure, or obstructed indoor environment. The objective is to concentrate on hybrid architecture where some nodes have points of attachment to an infrastructure, and simultaneously are interconnected via short-range ad hoc links. The availability of more capable handsets enables more innovative scenarios that take advantage of multiple radio access networks as well as peer-to-peer links for positioning. Link selection is used to optimize the tradeo between the power consumption of participating nodes and the quality of target localization. The Geometric Dilution of Precision and the Cramer-Rao Lower Bound can be used as criteria for choosing the appropriate set of anchor nodes and corresponding measurements before attempting location estimation itself. This work analyzes the existing solutions for node selection in order to improve localization performance, and proposes a novel method based on utility functions. The proposed method is then extended to mobile and heterogeneous environments. Simulations have been carried out, as well as evaluation with real measurement data. In addition, some speci c cases have been considered, such as localization in ill-conditioned scenarios and the use of negative information. The proposed approaches have shown to enhance estimation accuracy, whilst signi cantly reducing complexity, power consumption and signalling overhead.

Ecological quality assessment in transitional systems

Estuaries are poles of attraction for human settlement which is a source of pressures to surface water bodies. The implementation of the European Water Framework Directive (WDF, 2000/60/EC) has increased the investigation in order to develop methodologies to assess the Ecological Quality Status (EQS) of aquatic ecosystems. Transitional systems are naturally stressed and characterized by highly dynamic physical, chemical and hydro-morphologic conditions and by species with a higher level of tolerance to change, being more difficult to develop suitable quality indicators for these systems. The general purpose of this study is to test the ability of synthesis descriptors, including primary (S, taxa richness) and derived biological variable (H’, Shannon-Wiener diversity), biotic indices (AMBI and M-AMBI), body size properties (abundance distribution by body size classes, length, weight and length-weight relationships) and non-taxonomic indices (ISS), as well as functional indicators related to the decomposition rates of various experimental substrates, a macrophyte (Phragmites australis) and an alga (Fucus vesiculosus), to evaluate the environmental quality in transitional systems. This study was carried out in one of the most pristine channels of the Ria the Aveiro, Mira Channel, along a full salinity gradient and in a metals and metalloid sediment contamination area, the Estarreja Channel, and two reference channels (Canelas and Salreu). In this study were used different sampling techniques, the leaf-bag technique and a hand-held corer. In Mira Channel, the alga and the macrophyte presented an opposite trend in the decomposition rate along the salinity gradient, with the decomposition rates of the alga always higher than those of the macrophyte. The decomposition rates of the macrophyte and the alga were higher in the mid estuary and in higher salinity areas, respectively, corresponding to the preferencial distribution areas of each species. The macrobenthic fauna associated with the decaying and an artificial substrate (control) showed equally well the benthic succession from the marine to the freshwater areas and, despite the strong differences in the decay rates, no significant differences were found between the benthic communities associated with the alga and the macrophyte. The body size properties of the macrobenthic fauna associated with the P. australis leaf-bag (1mm and 5mm) and corer samples were studied along the full salinity gradient. The dominant species of the sub-set of measured specimens were not the same of the original macrobenthic fauna sampled but, despite that, the sub-set of measured specimens was also able to show the benthic succession from the marine to the freshwater areas. The body size abundance distribution of the benthic macroinvertebrates according to the ISS size classes did not show a particular trend in any sampler along the salinity gradient. Significant differences were found in the length, weight and length-weight relationships of Annelids, , Molluscs and even some species along the salinity gradient. No significant differences were found in the AMBI, M-AMBI and ISS values along the salinity gradient for all the samplers. The EQS of the corer samples obtained using the M-AMBI was lower than that of the leaf-bags. The EQS obtained with the ISS was higher than that obtained with the M-AMBI in the leaf-bags but not in the corer samples. The ecological effects of contaminated sediments associated with the industrial chemical effluents discharged in the Estarreja Channel were studied a decade after ceasing the emissions, using the Sediment Quality Triad approach and two reference channels. The results showed that despite the emissions ceased in 2004, the sediment remains polluted with high levels of metals and metalloid, available to bioaccumulation and with severe consequences at the community level. The sediment contamination problem was also studied using the leaf-bag technique with a macrophyte, an alga and a control substrate. The results showed that the decay rates, the associated macrofauna and the application of the AMBI, M-AMBI and ISS indices to the mesh-bag samples were not able to identify the sediment contamination. Contrarily to the AMBI, the M-AMBI and the ISS showed significant differences between the contaminated and the reference channels for the corer samples. Although such statistical significance, the interest of using these complex biotic indices could be questioned, when much simple ones, like the S and H’ allow to reach the same conclusions.

Assessing the effectiveness of chemical treatment with nanomaterials in improving the quality of different industrial effluents

Industrial activities are the major sources of pollution in all environments. Depending on the type of industry, various levels of organic and inorganic pollutants are being continuously discharged into the environment. Although, several kinds of physical, chemical, biological or the combination of methods have been proposed and applied to minimize the impact of industrial effluents, few have proved to be totally effective in terms of removal rates of several contaminants, toxicity reduction or amelioration of physical and chemical properties. Hence, it is imperative to develop new and innovative methodologies for industrial wastewater treatment. In this context nanotechnology arises announcing the offer of new possibilities for the treatment of wastewaters mainly based on the enhanced physical and chemical proprieties of nanomaterials (NMs), which can remarkably increase their adsorption and oxidation potential. Although applications of NMs may bring benefits, their widespread use will also contribute for their introduction into the environment and concerns have been raised about the intentional use of these materials. Further, the same properties that make NMs so appealing can also be responsible for producing ecotoxicological effects. In a first stage, with the objective of selecting NMs for the treatment of organic and inorganic effluents we first assessed the potential toxicity of nanoparticles of nickel oxide (NiO) with two different sizes (100 and 10-20 nm), titanium dioxide (TiO2, < 25 nm) and iron oxide (Fe2O3, ≈ 85x425 nm). The ecotoxicological assessment was performed with a battery of assays using aquatic organisms from different trophic levels. Since TiO2 and Fe2O3 were the NMs that presented lower risks to the aquatic systems, they were selected for the second stage of this work. Thus, the two NMs pre-selected were tested for the treatment of olive mill wastewater (OMW). They were used as catalyst in photodegradation systems (TiO2/UV, Fe2O3/UV, TiO2/H2O2/UV and Fe2O3/H2O2/UV). The treatments with TiO2 or Fe2O3 combined with H2O2 were the most efficient in ameliorating some chemical properties of the effluent. Regarding the toxicity to V. fischeri the highest reduction was recorded for the H2O2/UV system, without NMs. Afterwards a sequential treatment using photocatalytic oxidation with NMs and degradation with white-rot fungi was applied to OMW. This new approach increased the reduction of chemical oxygen demand, phenolic content and ecotoxicity to V. fischeri. However, no reduction in color and aromatic compounds was achieved after 21 days of biological treatment. The photodegradation systems were also applied to treat the kraft pulp mill and mining effluents. For the organic effluent the combination NMs and H2O2 had the best performances in reduction the chemical parameters as well in terms of toxicity reduction. However, for the mine effluent the best (TiO2/UV and Fe2O3/UV) were only able to significantly remove three metals (Zn, Al and Cd). Nonetheless the treatments were able of reducing the toxicity of the effluent. As a final stage, the toxicity of solid wastes formed during wastewater treatment with NMs was assessed with Chironomus riparius larvae, a representative species of the sediment compartment. Certain solid wastes showed the potential to negatively affect C. riparius survival and growth, depending on the type of effluent treated. This work also brings new insights to the use of NMs for the treatment of industrial wastewaters. Although some potential applications have been announced, many evaluations have to be performed before the upscaling of the chemical treatments with NMs.

Gestão de energia em ambiente industrial

A Sociedade da Água de Luso, S.A., localizada no concelho de Mealhada, é uma empresa do setor do engarrafamento de águas minerais naturais, de nascente e de consumo humano. Esta realiza as suas atividades, tendo em consideração a eficiência energética, ao longo do seu processo produtivo. Desta forma, o trabalho desenvolvido teve como objetivo o acompanhamento da implementação do sistema de monitorização e recolha de dados, que posteriormente foi útil na redução dos consumos energéticos (consumo de ar comprimido). Para além disto, também foi proposta uma medida de eficiência energética que visa a redução de energia elétrica na área da iluminação. O sistema de monitorização e recolha de dados e a criação de uma equipa de redução do consumo de ar comprimido permitiram a identificação das áreas de atuação, a monitorização das metas estipuladas no âmbito da equipa e a detecção de anomalias. A medida de eficiência energética aplicada incide na substituição de lâmpadas fluorescentes tubulares T8 por lâmpadas fluorescentes tubulares T5. Assim, a implementação deste sistema e a aplicação das medidas de eficiência energética na rede de ar comprimido no âmbito da equipa permitiram uma redução de 0,03 kWh/hL o que significa uma poupança de 5.600 € em quinze semanas. Ao nível da iluminação as medidas sugeridas permitem uma redução de 8.945 kWh/ano o que corresponde a uma poupança de 1.055 €/ano.

Simulation of a resonant inverter

Mostly developed since the Industrial Revolution, the automation of systems and equipment around us is responsible for a technological progress and economic growth without precedents, but also by a relentless energy dependence. Currently, fossil fuels still tend to come as the main energy source, even in developed countries, due to the ease in its extraction and the mastery of the technology needed for its use. However, the perception of its ending availability, as well as the environmental impact of this practice has led to a growing energy production originated from renewable sources. Easy maintenance, coupled with the fact that they are virtually inexhaustible, makes the solar and wind energy very promising solutions. In this context, this work proposes to facilitate energy production from these sources. To this end, in this work the power inverter is studied, which is an equipment responsible for converting DC power available by solar or wind power in traditional AC power. Then it is discussed and designed a new architecture which, in addition to achieve a high energy e - ciency, has also the ability to adapt to the type of conversion desired by the user, namely if he wants to sell electricity to the power grid, be independent of it or bet on a self consumption system. In order to achieve the promised energy e ciency, the projected inverter uses a resonant DC-DC converter, whose architecture signi cantly decreases the energy dissipated in the conversion, allowing a higher power density. The adaptability of the equipment is provided by an adaptive control algorithm, responsible for assessing its behavior on every iteration and making the necessary changes to achieve maximum stability throughout the process. To evaluate the functioning of the proposed architecture, a simulation is presented using the PLECS simulation software.