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.

Multiprocessor platform using LEON3 processor

The recent advances in embedded systems world, lead us to more complex systems with application specific blocks (IP cores), the System on Chip (SoC) devices. A good example of these complex devices can be encountered in the cell phones that can have image processing cores, communication cores, memory card cores, and others. The need of augmenting systems’ processing performance with lowest power, leads to a concept of Multiprocessor System on Chip (MSoC) in which the execution of multiple tasks can be distributed along various processors. This thesis intends to address the creation of a synthesizable multiprocessing system to be placed in a FPGA device, providing a good flexibility to tailor the system to a specific application. To deliver a multiprocessing system, will be used the synthesisable 32-bit SPARC V8 compliant, LEON3 processor.

Sistema para monitorização cardiovascular

Esta dissertação propõe o desenvolvimento de um sistema capaz de adquirir e monitorizar num computador o sinal do electrocardiograma (ECG) e de detectar o pico R do complexo QRS do referido sinal. Numa primeira fase foi efectuado um estudo do sistema cardiovascular, de forma a compreender a actividade eléctrica do coração e dos diversos sinais que constituem o ECG. Foi efectuado um estudo sobre o sinal ECG, tendo sido estudadas as suas características, bem como técnicas e componentes básicos de aquisição e condicionamento do sinal, sendo também analisados diversos sistemas que efectuam a aquisição de ECG. Numa segunda fase foram estudadas as Field Programmable Analog Array (FPAA), analisando o estado da arte desta tecnologia, bem como os dispositivos disponíveis comercialmente. Após esta análise foram seleccionados os dispositivos FPAA, bem como o restante hardware e software necessários para a realização desta Tese. Foi desenvolvido um sistema de condicionamento de sinal ECG, e de detecção de pico R do complexo QRS, apenas com componentes analógicos discretos tendo sido analisados os resultados obtidos antes de se avançar para a fase seguinte. Após a realização do sistema com componentes discretos, foi implementado um sistema em que grande parte do condicionamento do sinal ECG é efectuado por duas placas de desenvolvimento FPAA, de forma a diminuir a quantidade de componentes e a obter um sinal com melhor resolução. Os resultados obtidos foram analisados e comparados com o sistema desenvolvido. Para monitorizar o sinal ECG e o pico R num computador, foi desenvolvido um sistema em que os sinais são convertidos pelo conversor A/D de um microcontrolador, e enviados por comunicação série para um computador, sendo os valores obtidos visualizados numa aplicação em ambiente MATLAB.

Controlador Boundary-Scan

A crescente complexidade dos sistemas electrónicos associada a um desenvolvimento nas tecnologias de encapsulamento levou à miniaturização dos circuitos integrados, provocando dificuldades e limitações no diagnóstico e detecção de falhas, diminuindo drasticamente a aplicabilidade dos equipamentos ICT. Como forma de lidar com este problema surgiu a infra-estrutura Boundary Scan descrita na norma IEEE1149.1 “Test Access Port and Boundary-Scan Architecture”, aprovada em 1990. Sendo esta solução tecnicamente viável e interessante economicamente para o diagnóstico de defeitos, efectua também outras aplicações. O SVF surgiu do desejo de incutir e fazer com que os fornecedores independentes incluíssem a norma IEEE 1149.1, é desenvolvido num formato ASCII, com o objectivo de enviar sinais, aguardar pela sua resposta, segundo a máscara de dados baseada na norma IEEE1149.1. Actualmente a incorporação do Boundary Scan nos circuitos integrados está em grande expansão e consequentemente usufrui de uma forte implementação no mercado. Neste contexto o objectivo da dissertação é o desenvolvimento de um controlador boundary scan que implemente uma interface com o PC e possibilite o controlo e monitorização da aplicação de teste ao PCB. A arquitectura do controlador desenvolvido contém um módulo de Memória de entrada, um Controlador TAP e uma Memória de saída. A implementação do controlador foi feita através da utilização de uma FPGA, é um dispositivo lógico reconfiguráveis constituído por blocos lógicos e por uma rede de interligações, ambos configuráveis, que permitem ao utilizador implementar as mais variadas funções digitais. A utilização de uma FPGA tem a vantagem de permitir a versatilidade do controlador, facilidade na alteração do seu código e possibilidade de inserir mais controladores dentro da FPGA. Foi desenvolvido o protocolo de comunicação e sincronização entre os vários módulos, permitindo o controlo e monitorização dos estímulos enviados e recebidos ao PCB, executados automaticamente através do software do Controlador TAP e de acordo com a norma IEEE 1149.1. A solução proposta foi validada por simulação utilizando o simulador da Xilinx. Foram analisados todos os sinais que constituem o controlador e verificado o correcto funcionamento de todos os seus módulos. Esta solução executa todas as sequências pretendidas e necessárias (envio de estímulos) à realização dos testes ao PCB. Recebe e armazena os dados obtidos, enviando-os posteriormente para a memória de saída. A execução do trabalho permitiu concluir que os projectos de componentes electrónicos tenderão a ser descritos num nível de abstracção mais elevado, recorrendo cada vez mais ao uso de linguagens de hardware, no qual o VHDL é uma excelente ferramenta de programação. O controlador desenvolvido será uma ferramenta bastante útil e versátil para o teste de PCBs e outras funcionalidades disponibilizadas pelas infra-estruturas BS.

Complex question answering on semi-structured repositories: a user centric process enhanced with context

A Teia Mundial (Web) foi prevista como uma rede de documentos de hipertexto interligados de forma a criar uma espaço de informação onde humanos e máquinas poderiam comunicar. No entanto, a informação contida na Web tradicional foi/é armazenada de forma não estruturada o que leva a que apenas os humanos a possam consumir convenientemente. Consequentemente, a procura de informações na Web sintáctica é uma tarefa principalmente executada pelos humanos e nesse sentido nem sempre é fácil de concretizar. Neste contexto, tornou-se essencial a evolução para uma Web mais estruturada e mais significativa onde é dado significado bem definido à informação de forma a permitir a cooperação entre humanos e máquinas. Esta Web é usualmente referida como Web Semântica. Além disso, a Web Semântica é totalmente alcançável apenas se os dados de diferentes fontes forem ligados criando assim um repositório de Dados Abertos Ligados (LOD). Com o aparecimento de uma nova Web de Dados (Abertos) Ligados (i.e. a Web Semântica), novas oportunidades e desafios surgiram. Pergunta Resposta (QA) sobre informação semântica é actualmente uma área de investigação activa que tenta tirar vantagens do uso das tecnologias ligadas à Web Semântica para melhorar a tarefa de responder a questões. O principal objectivo do projecto World Search passa por explorar a Web Semântica para criar mecanismos que suportem os utilizadores de domínios de aplicação específicos a responder a questões complexas com base em dados oriundos de diferentes repositórios. No entanto, a avaliação feita ao estado da arte permite concluir que as aplicações existentes não suportam os utilizadores na resposta a questões complexas. Nesse sentido, o trabalho desenvolvido neste documento foca-se em estudar/desenvolver metodologias/processos que permitam ajudar os utilizadores a encontrar respostas exactas/corretas para questões complexas que não podem ser respondidas fazendo uso dos sistemas tradicionais. Tal inclui: (i) Ultrapassar a dificuldade dos utilizadores visionarem o esquema subjacente aos repositórios de conhecimento; (ii) Fazer a ponte entre a linguagem natural expressa pelos utilizadores e a linguagem (formal) entendível pelos repositórios; (iii) Processar e retornar informações relevantes que respondem apropriadamente às questões dos utilizadores. Para esse efeito, são identificadas um conjunto de funcionalidades que são consideradas necessárias para suportar o utilizador na resposta a questões complexas. É também fornecida uma descrição formal dessas funcionalidades. A proposta é materializada num protótipo que implementa as funcionalidades previamente descritas. As experiências realizadas com o protótipo desenvolvido demonstram que os utilizadores efectivamente beneficiam das funcionalidades apresentadas: ▪ Pois estas permitem que os utilizadores naveguem eficientemente sobre os repositórios de informação; ▪ O fosso entre as conceptualizações dos diferentes intervenientes é minimizado; ▪ Os utilizadores conseguem responder a questões complexas que não conseguiam responder com os sistemas tradicionais. Em suma, este documento apresenta uma proposta que comprovadamente permite, de forma orientada pelo utilizador, responder a questões complexas em repositórios semiestruturados.

Distributed active traction control system applied to the RoboCup middle size league

This work addresses the problem of traction control in mobile wheeled robots in the particular case of the RoboCup Middle Size League (MSL). The slip control problem is formulated using simple friction models for ISePorto Team robots with a differential wheel configuration. Traction was also characterized experimentally in the MSL scenario for relevant game events. This work proposes a hierarchical traction control architecture which relies in local slip detection and control at each wheel, with relevant information being relayed to a higher level responsible for global robot motion control. A dedicated one axis control embedded hardware subsystem allowing complex local control, high frequency current sensing and odometric information procession was developed. This local axis control board is integrated in a distributed system using CAN bus communications. The slipping observer was implemented in the axis control hardware nodes integrated in the ISePorto robots and was used to control and detect loss of for traction. %and to detect the ball in the kicking device. An external vision system was used to perform a qualitative analysis of the slip detection and observer performance results are presented.

Device power management for real-time embedded systems

A large part of power dissipation in a system is generated by I/O devices. Increasingly these devices provide power saving mechanisms to inter alia enhance battery life. While I/O device scheduling has been studied in the past for realtime systems, the use of energy resources by these scheduling algorithms may be improved. These approaches are crafted considering a huge overhead of device transition. The technology enhancement has allowed the hardware vendors to reduce the device transition overhead and energy consumption. We propose an intra-task device scheduling algorithm for real time systems that allows to shut-down devices while ensuring the system schedulability. Our results show an energy gain of up to 90% in the best case when compared to the state-of-the-art.

Online intra-task device scheduling for hard real-time systems

A large part of power dissipation in a system is generated by I/O devices. Increasingly these devices provide power saving mechanisms, inter alia to enhance battery life. While I/O device scheduling has been studied in the past for realtime systems, the use of energy resources by these scheduling algorithms may be improved. These approaches are crafted considering a very large overhead of device transitions. Technology enhancements have allowed the hardware vendors to reduce the device transition overhead and energy consumption. We propose an intra-task device scheduling algorithm for real time systems that allows to shut-down devices while ensuring system schedulability. Our results show an energy gain of up to 90% when compared to the techniques proposed in the state-of-the-art.

SPARTS: simulator for power aware and real-time systems

Real-time systems demand guaranteed and predictable run-time behaviour in order to ensure that no task has missed its deadline. Over the years we are witnessing an ever increasing demand for functionality enhancements in the embedded real-time systems. Along with the functionalities, the design itself grows more complex. Posed constraints, such as energy consumption, time, and space bounds, also require attention and proper handling. Additionally, efficient scheduling algorithms, as proven through analyses and simulations, often impose requirements that have significant run-time cost, specially in the context of multi-core systems. In order to further investigate the behaviour of such systems to quantify and compare these overheads involved, we have developed the SPARTS, a simulator of a generic embedded real- time device. The tasks in the simulator are described by externally visible parameters (e.g. minimum inter-arrival, sporadicity, WCET, BCET, etc.), rather than the code of the tasks. While our current implementation is primarily focused on our immediate needs in the area of power-aware scheduling, it is designed to be extensible to accommodate different task properties, scheduling algorithms and/or hardware models for the application in wide variety of simulations. The source code of the SPARTS is available for download at [1].

Detection of quasi-periodic processes in complex systems: how do we quantitatively describe their properties?

It has been shown that in reality at least two general scenarios of data structuring are possible: (a) a self-similar (SS) scenario when the measured data form an SS structure and (b) a quasi-periodic (QP) scenario when the repeated (strongly correlated) data form random sequences that are almost periodic with respect to each other. In the second case it becomes possible to describe their behavior and express a part of their randomness quantitatively in terms of the deterministic amplitude–frequency response belonging to the generalized Prony spectrum. This possibility allows us to re-examine the conventional concept of measurements and opens a new way for the description of a wide set of different data. In particular, it concerns different complex systems when the ‘best-fit’ model pretending to be the description of the data measured is absent but the barest necessity of description of these data in terms of the reduced number of quantitative parameters exists. The possibilities of the proposed approach and detection algorithm of the QP processes were demonstrated on actual data: spectroscopic data recorded for pure water and acoustic data for a test hole. The suggested methodology allows revising the accepted classification of different incommensurable and self-affine spatial structures and finding accurate interpretation of the generalized Prony spectroscopy that includes the Fourier spectroscopy as a partial case.

Complex dynamics of financial indices

This paper presents a novel method for the analysis of nonlinear financial and economic systems. The modeling approach integrates the classical concepts of state space representation and time series regression. The analytical and numerical scheme leads to a parameter space representation that constitutes a valid alternative to represent the dynamical behavior. The results reveal that business cycles can be clearly revealed, while the noise effects common in financial indices can elegantly be filtered out of the results.

Complex evolution of a multi-particle system

This paper studies a discrete dynamical system of interacting particles that evolve by interacting among them. The computational model is an abstraction of the natural world, and real systems can range from the huge cosmological scale down to the scale of biological cell, or even molecules. Different conditions for the system evolution are tested. The emerging patterns are analysed by means of fractal dimension and entropy measures. It is observed that the population of particles evolves towards geometrical objects with a fractal nature. Moreover, the time signature of the entropy can be interpreted at the light of complex dynamical systems.

Optimal controllers with complex order derivatives

This paper studies the optimization of complex-order algorithms for the discrete-time control of linear and nonlinear systems. The fundamentals of fractional systems and genetic algorithms are introduced. Based on these concepts, complexorder control schemes and their implementation are evaluated in the perspective of evolutionary optimization. The results demonstrate not only that complex-order derivatives constitute a valuable alternative for deriving control algorithms, but also the feasibility of the adopted optimization strategy.

Fractional generalization of memristor and higher order elements

Fractional calculus generalizes integer order derivatives and integrals. Memristor systems generalize the notion of electrical elements. Both concepts were shown to model important classes of phenomena. This paper goes a step further by embedding both tools in a generalization considering complex-order objects. Two complex operators leading to real-valued results are proposed. The proposed class of models generate a broad universe of elements. Several combinations of values are tested and the corresponding dynamical behavior is analyzed.

sMapReduce: a programming pattern for wireless sensor networks

Wireless Sensor Networks (WSNs) are increasingly used in various application domains like home-automation, agriculture, industries and infrastructure monitoring. As applications tend to leverage larger geographical deployments of sensor networks, the availability of an intuitive and user friendly programming abstraction becomes a crucial factor in enabling faster and more efficient development, and reprogramming of applications. We propose a programming pattern named sMapReduce, inspired by the Google MapReduce framework, for mapping application behaviors on to a sensor network and enabling complex data aggregation. The proposed pattern requires a user to create a network-level application in two functions: sMap and Reduce, in order to abstract away from the low-level details without sacrificing the control to develop complex logic. Such a two-fold division of programming logic is a natural-fit to typical sensor networking operation which makes sensing and topological modalities accessible to the user.