Nano-CF: a Coordination Framework for macro-programming in wireless sensor networks

Wireless Sensor Networks (WSN) are being used for a number of applications involving infrastructure monitoring, building energy monitoring and industrial sensing. The difficulty of programming individual sensor nodes and the associated overhead have encouraged researchers to design macro-programming systems which can help program the network as a whole or as a combination of subnets. Most of the current macro-programming schemes do not support multiple users seamlessly deploying diverse applications on the same shared sensor network. As WSNs are becoming more common, it is important to provide such support, since it enables higher-level optimizations such as code reuse, energy savings, and traffic reduction. In this paper, we propose a macro-programming framework called Nano-CF, which, in addition to supporting in-network programming, allows multiple applications written by different programmers to be executed simultaneously on a sensor networking infrastructure. This framework enables the use of a common sensing infrastructure for a number of applications without the users having to worrying about the applications already deployed on the network. The framework also supports timing constraints and resource reservations using the Nano-RK operating system. Nano- CF is efficient at improving WSN performance by (a) combining multiple user programs, (b) aggregating packets for data delivery, and (c) satisfying timing and energy specifications using Rate- Harmonized Scheduling. Using representative applications, we demonstrate that Nano-CF achieves 90% reduction in Source Lines-of-Code (SLoC) and 50% energy savings from aggregated data delivery.

Enhancing the real-time capabilities of the Linux Kernel

The mainline Linux Kernel is not designed forhard real-time systems; it only fits the requirements of soft realtimesystems. In recent years, a kernel developer communityhas been working on the PREEMPT-RT patch. This patch(that aims to get a fully preemptible kernel) adds some realtimecapabilities to the Linux kernel. However, in terms ofscheduling policies, the real-time scheduling class of Linux islimited to the First-In-First-Out (SCHED_FIFO) and Round-Robin (SCHED_RR) scheduling policies. These scheduling policiesare however quite limited in terms of realtime performance.Therefore, in this paper, we report one importantcontribution for adding more advanced real-time capabilitiesto the Linux Kernel. Specifically, we describe modificationsto the (PREEMPT-RT patched) Linux kernel to supportreal-time slot-based task-splitting scheduling algorithms. Ourpreliminary evaluation shows that our implementation exhibitsa real-time performance that is superior to the schedulingpolicies provided by the current version of PREMPT-RT. Thisis a significant add-on to a widely adopted operating system.

Response time analysis of COTS-Based multicores considering the contention on the shared memory bus

The current industry trend is towards using Commercially available Off-The-Shelf (COTS) based multicores for developing real time embedded systems, as opposed to the usage of custom-made hardware. In typical implementation of such COTS-based multicores, multiple cores access the main memory via a shared bus. This often leads to contention on this shared channel, which results in an increase of the response time of the tasks. Analyzing this increased response time, considering the contention on the shared bus, is challenging on COTS-based systems mainly because bus arbitration protocols are often undocumented and the exact instants at which the shared bus is accessed by tasks are not explicitly controlled by the operating system scheduler; they are instead a result of cache misses. This paper makes three contributions towards analyzing tasks scheduled on COTS-based multicores. Firstly, we describe a method to model the memory access patterns of a task. Secondly, we apply this model to analyze the worst case response time for a set of tasks. Although the required parameters to obtain the request profile can be obtained by static analysis, we provide an alternative method to experimentally obtain them by using performance monitoring counters (PMCs). We also compare our work against an existing approach and show that our approach outperforms it by providing tighter upper-bound on the number of bus requests generated by a task.

Implementing slot-based task-splitting multiprocessor scheduling

Consider the problem of scheduling a set of sporadic tasks on a multiprocessor system to meet deadlines using a task-splitting scheduling algorithm. Task-splitting (also called semi-partitioning) scheduling algorithms assign most tasks to just one processor but a few tasks are assigned to two or more processors, and they are dispatched in a way that ensures that a task never executes on two or more processors simultaneously. A particular type of task-splitting algorithms, called slot-based task-splitting dispatching, is of particular interest because of its ability to schedule tasks with high processor utilizations. Unfortunately, no slot-based task-splitting algorithm has been implemented in a real operating system so far. In this paper we discuss and propose some modifications to the slot-based task-splitting algorithm driven by implementation concerns, and we report the first implementation of this family of algorithms in a real operating system running Linux kernel version 2.6.34. We have also conducted an extensive range of experiments on a 4-core multicore desktop PC running task-sets with utilizations of up to 88%. The results show that the behavior of our implementation is in line with the theoretical framework behind it.

Finding an upper bound on the increase in execution time due to contention on the memory bus in COTS-based multicore systems

Contention on the memory bus in COTS based multicore systems is becoming a major determining factor of the execution time of a task. Analyzing this extra execution time is non-trivial because (i) bus arbitration protocols in such systems are often undocumented and (ii) the times when the memory bus is requested to be used are not explicitly controlled by the operating system scheduler; they are instead a result of cache misses. We present a method for finding an upper bound on the extra execution time of a task due to contention on the memory bus in COTS based multicore systems. This method makes no assumptions on the bus arbitration protocol (other than assuming that it is work-conserving).

Open-ZB: an open-source implementation of the IEEE 802.15.4/ZigBee protocol stack on TinyOS

The IEEE 802.15.4/ZigBee protocols are gaining increasing interests in both research and industrial communities as candidate technologies for Wireless Sensor Network (WSN) applications. In this paper, we present an open-source implementation of the IEEE 802.15.4/Zigbee protocol stack under the TinyOS operating system for the MICAz motes. This work has been driven by the need for an open-source implementation of the IEEE 802.15.4/ZigBee protocols, filling a gap between some newly released complex C implementations and black-box implementations from different manufacturers. In addition, we share our experience on the challenging problem that we have faced during the implementation of the protocol stack on the MICAz motes. We strongly believe that this open-source implementation will potentiate research works on the IEEE 802.15.4/Zigbee protocols allowing their demonstration and validation through experimentation.

Zigbee over tinyos: Implementation and experimental challenges

The IEEE 802.15.4/Zigbee protocols are a promising technology for Wireless Sensor Networks (WSNs). This paper shares our experience on the implementation and use of these protocols and related technologies in WSNs. We present problems and challenges we have been facing in implementing an IEEE 802.15.4/ZigBee stack for TinyOS in a two-folded perspective: IEEE 802.15.4/ZigBee protocol standards limitations (ambiguities and open issues) and technological limitations (hardware and software). Concerning the former, we address challenges for building scalable and synchronized multi-cluster ZigBee networks, providing a trade-off between timeliness and energy-efficiency. On the latter issue, we highlight implementation problems in terms of hardware, timer handling and operating system limitations. We also report on our experience from experimental test-beds, namely on physical layer aspects such as coexistence problems between IEEE 802.15.4 and 802.11 radio channels.

POSIX trace based behavioural reflection

Traditional Real-Time Operating Systems (RTOS) are not designed to accommodate application specific requirements. They address a general case and the application must co-exist with any limitations imposed by such design. For modern real-time applications this limits the quality of services offered to the end-user. Research in this field has shown that it is possible to develop dynamic systems where adaptation is the key for success. However, adaptation requires full knowledge of the system state. To overcome this we propose a framework to gather data, and interact with the operating system, extending the traditional POSIX trace model with a partial reflective model. Such combination still preserves the trace mechanism semantics while creating a powerful platform to develop new dynamic systems, with little impact in the system and avoiding complex changes in the kernel source code.

A complex protocol layer as a linux user-space process

With the current complexity of communication protocols, implementing its layers totally in the kernel of the operating system is too cumbersome, and it does not allow use of the capabilities only available in user space processes. However, building protocols as user space processes must not impair the responsiveness of the communication. Therefore, in this paper we present a layer of a communication protocol, which, due to its complexity, was implemented in a user space process. Lower layers of the protocol are, for responsiveness issues, implemented in the kernel. This protocol was developed to support large-scale power-line communication (PLC) with timing requirements.

On the use of the ZigBee protocol for wireless sensor networks

This project was developed within the ART-WiSe framework of the IPP-HURRAY group (http://www.hurray.isep.ipp.pt), at the Polytechnic Institute of Porto (http://www.ipp.pt). The ART-WiSe – Architecture for Real-Time communications in Wireless Sensor networks – framework (http://www.hurray.isep.ipp.pt/art-wise) aims at providing new communication architectures and mechanisms to improve the timing performance of Wireless Sensor Networks (WSNs). The architecture is based on a two-tiered protocol structure, relying on existing standard communication protocols, namely IEEE 802.15.4 (Physical and Data Link Layers) and ZigBee (Network and Application Layers) for Tier 1 and IEEE 802.11 for Tier 2, which serves as a high-speed backbone for Tier 1 without energy consumption restrictions. Within this trend, an application test-bed is being developed with the objectives of implementing, assessing and validating the ART-WiSe architecture. Particularly for the ZigBee protocol case; even though there is a strong commercial lobby from the ZigBee Alliance (http://www.zigbee.org), there is neither an open source available to the community for this moment nor publications on its adequateness for larger-scale WSN applications. This project aims at fulfilling these gaps by providing: a deep analysis of the ZigBee Specification, mainly addressing the Network Layer and particularly its routing mechanisms; an identification of the ambiguities and open issues existent in the ZigBee protocol standard; the proposal of solutions to the previously referred problems; an implementation of a subset of the ZigBee Network Layer, namely the association procedure and the tree routing on our technological platform (MICAz motes, TinyOS operating system and nesC programming language) and an experimental evaluation of that routing mechanism for WSNs.

Sensors on mobile devices for AAL

Com o envelhecimento da população, as preocupações com a garantia do seu bem-estar aumentam criando a necessidade de desenvolver ferramentas que permitam monitorizar em permanência este sector da população. A utilização de smartphones pelos mais velhos pode ser crucial no seu bem-estar e na sua autonomia contribuindo para a recolha de informação importante já que estes estão muitas vezes equipados com sensores que podem dar indicações preciosas ao cuidador sobre o estado atual do paciente. Os sensores podem fornecer dados sobre a atividade física do paciente, bem como detetar quedas ou calcular a sua posição, com a ajuda do acelerómetro, do giroscópio e do sensor de campo magnético. No entanto, funcionalidades como essas requerem, obrigatoriamente, uma frequência de amostragem mínima por parte dos sensores que permita a implementação de algoritmos, que determinarão esses parâmetros da forma mais exata possível. Dado que nem sempre os pacientes se fazem acompanhar do seu smartphone quando estão na sua residência, a criação de ambientes de AAL (Ambient Assisted Living) com recurso a dispositivos externos que podem ser “vestidos” pelos pacientes pode também ser uma solução adequada. Estes contêm normalmente os mesmos sensores que os smartphones e comunicam com estes através de tecnologias sem fios, como é o caso do Bluetooth Low Energy. Neste trabalho, avaliou-se a possibilidade de alteração da frequência dos sensores em diferentes sistemas operativos, tendo sido efectuadas modificações nas instalações por defeito de alguns sistemas operativos abertos. Com o objectivo de permitir a criação de uma solução de AAL com recurso a um dispositivo externo implementaram-se serviços e perfis num dispositivo externo, o SensorTag.

Real-time Task-Splitting scheduling algorithms framework

Nos dias de hoje, os sistemas de tempo real crescem em importância e complexidade. Mediante a passagem do ambiente uniprocessador para multiprocessador, o trabalho realizado no primeiro não é completamente aplicável no segundo, dado que o nível de complexidade difere, principalmente devido à existência de múltiplos processadores no sistema. Cedo percebeu-se, que a complexidade do problema não cresce linearmente com a adição destes. Na verdade, esta complexidade apresenta-se como uma barreira ao avanço científico nesta área que, para já, se mantém desconhecida, e isto testemunha-se, essencialmente no caso de escalonamento de tarefas. A passagem para este novo ambiente, quer se trate de sistemas de tempo real ou não, promete gerar a oportunidade de realizar trabalho que no primeiro caso nunca seria possível, criando assim, novas garantias de desempenho, menos gastos monetários e menores consumos de energia. Este último fator, apresentou-se desde cedo, como, talvez, a maior barreira de desenvolvimento de novos processadores na área uniprocessador, dado que, à medida que novos eram lançados para o mercado, ao mesmo tempo que ofereciam maior performance, foram levando ao conhecimento de um limite de geração de calor que obrigou ao surgimento da área multiprocessador. No futuro, espera-se que o número de processadores num determinado chip venha a aumentar, e como é óbvio, novas técnicas de exploração das suas inerentes vantagens têm de ser desenvolvidas, e a área relacionada com os algoritmos de escalonamento não é exceção. Ao longo dos anos, diferentes categorias de algoritmos multiprocessador para dar resposta a este problema têm vindo a ser desenvolvidos, destacando-se principalmente estes: globais, particionados e semi-particionados. A perspectiva global, supõe a existência de uma fila global que é acessível por todos os processadores disponíveis. Este fato torna disponível a migração de tarefas, isto é, é possível parar a execução de uma tarefa e resumir a sua execução num processador distinto. Num dado instante, num grupo de tarefas, m, as tarefas de maior prioridade são selecionadas para execução. Este tipo promete limites de utilização altos, a custo elevado de preempções/migrações de tarefas. Em contraste, os algoritmos particionados, colocam as tarefas em partições, e estas, são atribuídas a um dos processadores disponíveis, isto é, para cada processador, é atribuída uma partição. Por essa razão, a migração de tarefas não é possível, acabando por fazer com que o limite de utilização não seja tão alto quando comparado com o caso anterior, mas o número de preempções de tarefas decresce significativamente. O esquema semi-particionado, é uma resposta de caráter hibrido entre os casos anteriores, pois existem tarefas que são particionadas, para serem executadas exclusivamente por um grupo de processadores, e outras que são atribuídas a apenas um processador. Com isto, resulta uma solução que é capaz de distribuir o trabalho a ser realizado de uma forma mais eficiente e balanceada. Infelizmente, para todos estes casos, existe uma discrepância entre a teoria e a prática, pois acaba-se por se assumir conceitos que não são aplicáveis na vida real. Para dar resposta a este problema, é necessário implementar estes algoritmos de escalonamento em sistemas operativos reais e averiguar a sua aplicabilidade, para caso isso não aconteça, as alterações necessárias sejam feitas, quer a nível teórico quer a nível prá

LMP based bid formation for virtual power players operating in smart grids

Power system organization has gone through huge changes in the recent years. Significant increase in distributed generation (DG) and operation in the scope of liberalized markets are two relevant driving forces for these changes. More recently, the smart grid (SG) concept gained increased importance, and is being seen as a paradigm able to support power system requirements for the future. This paper proposes a computational architecture to support day-ahead Virtual Power Player (VPP) bid formation in the smart grid context. This architecture includes a forecasting module, a resource optimization and Locational Marginal Price (LMP) computation module, and a bid formation module. Due to the involved problems characteristics, the implementation of this architecture requires the use of Artificial Intelligence (AI) techniques. Artificial Neural Networks (ANN) are used for resource and load forecasting and Evolutionary Particle Swarm Optimization (EPSO) is used for energy resource scheduling. The paper presents a case study that considers a 33 bus distribution network that includes 67 distributed generators, 32 loads and 9 storage units.

WEXSYS - Web Expert System

Desde o início que os sistemas periciais não foram vistos apenas como sistemas que poderiam substituir os peritos. Os peritos por sua vez, independentemente da área em que operam, eram tidos como indivíduos que atingiram a excelência através da experiência, estudo e total dedicação, por vezes durante anos. Hoje, mais do que assumir o papel de um perito na excelência de uma área de actuação, os sistemas periciais sobressaem pela disponibilidade contínua, acessos facilitados, custos reduzidos, estabilidade de funcionamento e coerência de raciocínio. Empurrados pelos avanços actuais das redes em termos de velocidade e propagação global, estes sistemas são hoje disponibilizados de forma mais simples e acessível. Este trabalho é realizado com o propósito de evoluir o actual sistema para uma versão mais apelativa, funcional e fiável. Um dos objectivos passa pela evolução do actual modo de funcionamento, utilização local e apenas um utilizador, para um modo de funcionamento que permita uma disponibilização num ambiente de acesso global, acessível a qualquer hora e em qualquer local.

Optimized near real-time remote device tracking and monitoring system

Os serviços baseados em localização vieram dar um novo alento à criatividade dos programadores de aplicações móveis. A vulgarização de dispositivos com capacidades de localização integradas deu origem ao desenvolvimento de aplicações que gerem e apresentam informação baseada na posição do utilizador. Desde então, o mercado móvel tem assistido ao aparecimento de novas categorias de aplicações que tiram proveito desta capacidade. Entre elas, destaca-se a monitorização remota de dispositivos, que tem vindo a assumir uma importância crescente, tanto no sector particular como no sector empresarial. Esta dissertação começa por apresentar o estado da arte sobre os diferentes sistemas de posicionamento, categorizados pela sua eficácia em ambientes internos ou externos, assim como diferentes protocolos de comunicação em tempo quase-real. É também feita uma análise ao estado actual do mercado móvel. Actualmente o mercado possui diferentes plataformas móveis com características únicas que as fazem rivalizar entre si, com vista a expandirem a sua quota de mercado. É por isso elaborado um breve estudo sobre os sistemas operativos móveis mais relevantes da actualidade. É igualmente feita uma abordagem mais profunda à arquitectura da plataforma móvel da Apple - o iOS – que serviu de base ao desenvolvimento de uma solução optimizada para localização e monitorização de dispositivos móveis. A monitorização implica uma utilização intensiva de recursos energéticos e de largura de banda que os dispositivos móveis da actualidade não estão aptos a suportar. Dado o grande consumo energético do GPS face à precária autonomia destes dispositivos, é apresentado um estudo em que se expõem soluções que permitem gerir de forma optimizada a utilização do GPS. O elevado custo dos planos de dados facultados pelas operadoras móveis é também considerado, pelo que são exploradas soluções que visam minimizar a utilização de largura de banda. Deste trabalho, nasce a aplicação EyeGotcha, que para além de permitir localizar outros utilizadores de dispositivos móveis de forma optimizada, permite também monitorizar as suas acções baseando-se num conjunto de regras pré-definidas. Estas acções são reportadas às entidades monitoras, de modo automatizado e sob a forma de alertas. Visionando-se a comercialização da aplicação, é portanto apresentado um modelo de negócio que permite obter receitas capazes de cobrirem os custos de manutenção de serviços, aos quais o funcionamento da aplicação móvel está subjugado.