Cooperative framework for open real-time systems

Actualmente, os sistemas embebidos estão presentes em toda a parte. Embora grande parte da população que os utiliza não tenha a noção da sua presença, na realidade, se repentinamente estes sistemas deixassem de existir, a sociedade iria sentir a sua falta. A sua utilização massiva deve-se ao facto de estarem practicamente incorporados em quase os todos dispositivos electrónicos de consumo, telecomunicações, automação industrial e automóvel. Influenciada por este crescimento, a comunidade científica foi confrontada com novos problemas distribuídos por vários domínios científicos, dos quais são destacados a gestão da qualidade de serviço e gestão de recursos - domínio encarregue de resolver problemas relacionados com a alocação óptima de recursos físicos, tais como rede, memória e CPU. Existe na literatura um vasto conjunto de modelos que propõem soluções para vários problemas apresentados no contexto destes domínios científicos. No entanto, não é possível encontrar modelos que lidem com a gestão de recursos em ambientes de execução cooperativos e abertos com restrições temporais utilizando coligações entre diferentes nós, de forma a satisfazer os requisitos não funcionais das aplicações. Devido ao facto de estes sistemas serem dinâmicos por natureza, apresentam a característica de não ser possível conhecer, a priori, a quantidade de recursos necessários que uma aplicação irá requerer do sistema no qual irá ser executada. Este conhecimento só é adquirido aquando da execução da aplicação. De modo a garantir uma gestão eficiente dos recursos disponíveis, em sistemas que apresentam um grande dinamismo na execução de tarefas com e sem restrições temporais, é necessário garantir dois aspectos fundamentais. O primeiro está relacionado com a obtenção de garantias na execução de tarefas de tempo-real. Estas devem sempre ser executadas dentro da janela temporal requirida. O segundo aspecto refere a necessidade de garantir que todos os recursos necessários à execução das tarefas são fornecidos, com o objectivo de manter os níveis de performance quer das aplicações, quer do próprio sistema. Tendo em conta os dois aspectos acima mencionados, o projecto CooperatES foi especificado com o objectivo de permitir a dispositivos com poucos recursos uma execução colectiva de serviços com os seus vizinhos, de modo a cumprir com as complexas restrições de qualidade de serviço impostas pelos utilizadores ou pelas aplicações. Decorrendo no contexto do projecto CooperatES, o trabalho resultante desta tese tem como principal objectivo avaliar a practicabilidade dos conceitos principais propostos no âmbito do projecto. O trabalho em causa implicou a escolha e análise de uma plataforma, a análise de requisitos, a implementação e avaliação de uma framework que permite a execução cooperativa de aplicações e serviços que apresentem requisitos de qualidade de serviço. Do trabalho desenvolvido resultaram as seguintes contribuições: Análise das plataformas de código aberto que possam ser utilizadas na implementação dos conceitos relacionados com o projecto CooperatES; Critérios que influenciaram a escolha da plataforma Android e um estudo focado na análise da plataforma sob uma perspectiva de sistemas de tempo-real; Experiências na implementação dos conceitos do projecto na plataforma Android; Avaliação da practicabilidade dos conceitos propostos no projecto CooperatES; Proposta de extensões que permitam incorporar características de sistemas de tempo real abertos na plataforma Android.

Controlo difuso de um AGV

Neste trabalho pretende-se introduzir os conceitos associados à lógica difusa no controlo de sistemas, neste caso na área da robótica autónoma, onde é feito um enquadramento da utilização de controladores difusos na mesma. Foi desenvolvido de raiz um AGV (Autonomous Guided Vehicle) de modo a se implementar o controlador difuso, e testar o desempenho do mesmo. Uma vez que se pretende de futuro realizar melhorias e/ou evoluções optou-se por um sistema modular em que cada módulo é responsável por uma determinada tarefa. Neste trabalho existem três módulos que são responsáveis pelo controlo de velocidade, pela aquisição dos dados dos sensores e, por último, pelo controlador difuso do sistema. Após a implementação do controlador difuso, procedeu-se a testes para validar o sistema onde foram recolhidos e registados os dados provenientes dos sensores durante o funcionamento normal do robô. Este dados permitiram uma melhor análise do desempenho do robô. Verifica-se que a lógica difusa permite obter uma maior suavidade na transição de decisões, e que com o aumento do número de regras é possível tornar o sistema ainda mais suave. Deste modo, verifica-se que a lógica difusa é uma ferramenta útil e funcional para o controlo de aplicações. Como desvantagem surge a quantidade de dados associados à implementação, tais como, os universos de discurso, as funções de pertença e as regras. Ao se aumentar o número de regras de controlo do sistema existe também um aumento das funções de pertença consideradas para cada variável linguística; este facto leva a um aumento da memória necessária e da complexidade na implementação pela quantidade de dados que têm de ser tratados. A maior dificuldade no projecto de um controlador difuso encontra-se na definição das variáveis linguísticas através dos seus universos de discurso e das suas funções de pertença, pois a definição destes pode não ser a mais adequada ao contexto de controlo e torna-se necessário efectuar testes e, consequentemente, modificações à definição das funções de pertença para melhorar o desempenho do sistema. Todos os aspectos referidos são endereçados no desenvolvimento do AGV e os respectivos resultados são apresentados e analisados.

Plataforma remota de gestão de um parque de GateBoxes

A monitorização de redes é um aspeto de elevada importância, principalmente em redes de média ou grande dimensão. A necessidade de utilização de uma ferramenta para realização dessa gestão facilita o trabalho e proporciona de uma forma mais rápida e eficaz a identificação de problemas na rede e nos seus sistemas. Neste sentido, o presente trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de uma solução para a monitorização de GateBoxes, um dos produtos desenvolvidos e comercializados pela empresa NextToYou. A necessidade de monitorização das GateBoxes, por parte da NextToYou, é essencial para que possa detetar falhas no seu funcionamento ou realizar notificações aquando da deteção de problemas para uma rápida resolução. Neste contexto a empresa decidiu implementar uma ferramenta para a referida monitorização e propôs, no âmbito da tese, o desenvolvimento de uma aplicação que satisfizesse esses propósitos. Disponibilizou então, para o desenvolvimento uma plataforma, a WebForge, e definiu alguns requisitos funcionais dessa ferramenta, tais como, a monitorização remota de informação, gestão de alarmes, geração de avisos e notificações. Para a elaboração deste trabalho foram realizados estudos teóricos sobre o tema da gestão e monitorização remotas, realizando-se posteriormente o desenvolvimento de uma aplicação para a monitorização de GateBoxes. Após a implementação efetuou-se a validação do trabalho realizado através da execução de testes e demonstrações, de forma a poder validar e verificar o desempenho do sistema.

Implementação de um sistema seguro, robusto e redundante

Um dos temas mais debatidos na sociedade actual é a segurança. Os níveis de segurança e as ferramentas para os alcançar entram em contraponto com os métodos usados para os quebrar. Como no passado, a razão qualidade/serviço mantém-se hoje, e manter-se-á no futuro, assegurando maior segurança àqueles que melhor se protejam. Problemas simples da vida real como furtos ou uso de falsa identidade assumem no meio informático uma forma rápida e por vezes indetectável de crime organizado. Neste estudo são investigados métodos sociais e aplicações informáticas comuns para quebrar a segurança de um sistema informático genérico. Desta forma, e havendo um entendimento sobre o Modus Operandi das entidades mal-intencionadas, poderá comprovar-se a instabilidade e insegurança de um sistema informático, e, posteriormente, actuar sobre o mesmo de tal forma que fique colocado numa posição da segurança que, podendo não ser infalível, poderá estar muito melhorada. Um dos objectivos fulcrais deste trabalho é conseguir implementar e configurar um sistema completo através de um estudo de soluções de mercado, gratuitas ou comerciais, a nível da implementação de um sistema em rede com todos os serviços comuns instalados, i.e., um pacote “chave na mão” com serviços de máquinas, sistema operativo, aplicações, funcionamento em rede com serviços de correio electrónico, gestão empresarial, anti-vírus, firewall, entre outros. Será possível então evidenciar uma instância de um sistema funcional, seguro e com os serviços necessários a um sistema actual, sem recurso a terceiros, e sujeito a um conjunto de testes que contribuem para o reforço da segurança.

Influência da temperatura e da energia de compactação nos parâmetros obtidos em ensaios no âmbito na marcação CE de misturas betuminosas

Em Portugal, grande parte da rede rodoviária é constituída por pavimentos flexíveis a quente, os quais têm vindo a ser alvo de um estudo exaustivo devido ao elevado aumento do tráfego registado nos últimos anos. Todos os estudos realizados em misturas betuminosas, após 1 de Março de 2008, utilizam as normativas da marcação CE, estabelecidas pela União Europeia no Âmbito da Directiva Comunitária nº 93/465/CEE e têm como objectivo garantir aos utentes que os materiais utilizados foram produzidos de forma controlada, de acordo com os requisitos definidos. Este trabalho teve como principal objectivo avaliar a influência da temperatura e da energia de compactação nas Misturas Betuminosas. Nesse intuito, estudaram‐se diferentes formulações das Misturas Betuminosas, nas quais se fez variar a temperatura e a energia de compactação. Neste trabalho apresentam‐se as formulações propostas, os ensaios realizados segundo a Marcação CE e a análise dos resultados obtidos. Executou‐se, também, o ensaio Marshall de forma a estudar e avaliar o desempenho da mistura. Pressupõe‐se que a variação da temperatura numa mistura betuminosa é bastante importante por ser responsável pelo comportamento dos betumes, o qual se reflecte na mistura originando variações no respectivo comportamento mecânico que serão tanto maiores quanto maior for a percentagem de betume da mesma. A energia de compactação tem como objectivo reduzir o índice de vazios da mistura através do rearranjo das partículas, originando desse modo uma diminuição da camada da mistura betuminosa, responsável pela melhoria do comportamento mecânico e funcional da camada.

Mixed integer non linear programming and artificial neural network based approach to ancillary services dispatch in competitive electricity markets

Ancillary services represent a good business opportunity that must be considered by market players. This paper presents a new methodology for ancillary services market dispatch. The method considers the bids submitted to the market and includes a market clearing mechanism based on deterministic optimization. An Artificial Neural Network is used for day-ahead prediction of Regulation Down, regulation-up, Spin Reserve and Non-Spin Reserve requirements. Two test cases based on California Independent System Operator data concerning dispatch of Regulation Down, Regulation Up, Spin Reserve and Non-Spin Reserve services are included in this paper to illustrate the application of the proposed method: (1) dispatch considering simple bids; (2) dispatch considering complex bids.

Controllability results for impulsive mixed type functional integro-differential evolution equations with nonlocal conditions

In this paper, we establish the controllability for a class of abstract impulsive mixed-type functional integro-differential equations with finite delay in a Banach space. Some sufficient conditions for controllability are obtained by using the Mönch fixed point theorem via measures of noncompactness and semigroup theory. Particularly, we do not assume the compactness of the evolution system. An example is given to illustrate the effectiveness of our results.

QoS of IP services in a fieldbus network: on the limitations and possible improvements

This paper focuses on the problem of providing efficient scheduling mechanisms for IP packets encapsulated in the frames of a real-time fieldbus network - the PROFIBUS. The approach described consists on a dual-stack approach encompassing both the controlrelated traffic ("native" fieldbus traffic) and the IPrelated traffic. The overall goal is to maintain the hard real-time guarantees of the control-related traffic, while at the same time providing the desired quality of service (QoS) to the coexistent IP applications. We start to describe the work which have been up to now carried out in the framework of the European project RFieldbus (High Performance Wireless Fieldbus in Industrial Multimedia-Related Environments - IST-1999-11316). Then we identify its limitations and point out solutions that are now being addressed out of the framework of the above-mentioned European project.

From task scheduling in single processor environments to message scheduling in a PROFIBUS fieldbus network

In this paper we survey the most relevant results for the prioritybased schedulability analysis of real-time tasks, both for the fixed and dynamic priority assignment schemes. We give emphasis to the worst-case response time analysis in non-preemptive contexts, which is fundamental for the communication schedulability analysis. We define an architecture to support priority-based scheduling of messages at the application process level of a specific fieldbus communication network, the PROFIBUS. The proposed architecture improves the worst-case messages’ response time, overcoming the limitation of the first-come-first-served (FCFS) PROFIBUS queue implementations.

Timing analysis of an inter-cell mobility procedure for a wired/wireless PROFIBUS network

Recently, there have been a few research efforts towards extending the capabilities of fieldbus networks to encompass wireless support. In previous works we have proposed a hybrid wired/wireless PROFIBUS network solution where the interconnection between the heterogeneous communication media was accomplished through bridge-like interconnecting devices. The resulting networking architecture embraced a Multiple Logical Ring (MLR) approach, thus with multiple independent tokens, where the communication between different domains was supported by the Inter-Domain Protocol (IDP). The proposed architecture also supports mobility of stations between different wireless cells. To that hybrid wired/wireless networking architecture we have proposed a worst-case response timing analysis of the IDP, without considering inter-cell mobility (or handoff) of stations. In this paper, we advance that previous work by proposing a worst-case timing analysis of the mobility procedure.

Timing analysis of a multiple logical ring wired/wireless PROFIBUS network

Recently, there have been a few research efforts towards extending the capabilities of fieldbus networks to encompass wireless support. In previous works we have proposed a hybrid wired/wireless PROFIBUS network solution where the interconnection between the heterogeneous communication media was accomplished through bridge-like interconnecting devices. The resulting networking architecture embraced a multiple logical ring (MLR) approach, thus with multiple independent tokens, to which a specific bridging protocol extension, the inter-domain protocol (IDP), was proposed. The IDP offers compatibility with standard PROFIBUS, and includes mechanisms to support inter-cell mobility of wireless nodes. We advance that work by proposing a worst-case response timing analysis of the IDP.

EMMON - EMbedded MONitoring

Despite the steady increase in experimental deployments, most of research work on WSNs has focused only on communication protocols and algorithms, with a clear lack of effective, feasible and usable system architectures, integrated in a modular platform able to address both functional and non–functional requirements. In this paper, we outline EMMON [1], a full WSN-based system architecture for large–scale, dense and real–time embedded monitoring [3] applications. EMMON provides a hierarchical communication architecture together with integrated middleware and command and control software. Then, EM-Set, the EMMON engineering toolset will be presented. EM-Set includes a network deployment planning, worst–case analysis and dimensioning, protocol simulation and automatic remote programming and hardware testing tools. This toolset was crucial for the development of EMMON which was designed to use standard commercially available technologies, while maintaining as much flexibility as possible to meet specific applications requirements. Finally, the EMMON architecture has been validated through extensive simulation and experimental evaluation, including a 300+ nodes testbed.

Towards network-on-chip agreement protocols

Demands for functionality enhancements, cost reductions and power savings clearly suggest the introduction of multiand many-core platforms in real-time embedded systems. However, when compared to uni-core platforms, the manycores experience additional problems, namely the lack of scalable coherence mechanisms and the necessity to perform migrations. These problems have to be addressed before such systems can be considered for integration into the realtime embedded domain. We have devised several agreement protocols which solve some of the aforementioned issues. The protocols allow the applications to plan and organise their future executions both temporally and spatially (i.e. when and where the next job will be executed). Decisions can be driven by several factors, e.g. load balancing, energy savings and thermal issues. All presented protocols are analytically described, with the particular emphasis on their respective real-time behaviours and worst-case performance. The underlying assumptions are based on the multi-kernel model and the message-passing paradigm, which constitutes the communication between the interacting instances.

EMMON: a system architecture for large- scale, dense and real-time WSNs

In spite of the significant amount of scientific work in Wireless Sensor Networks (WSNs), there is a clear lack of effective, feasible and usable WSN system architectures that address both functional and non-functional requirements in an integrated fashion. This poster abstract outlines the EMMON system architecture for large-scale, dense, real-time embedded monitoring. EMMON relies on a hierarchical network architecture together with integrated middleware and command&control mechanisms. It has been designed to use standard commercially– available technologies, while maintaining as much flexibility as possible to meet specific applications’ requirements. The EMMON WSN architecture has been validated through extensive simulation and experimental evaluation, including through a 300+ node test-bed, the largest WSN test-bed in Europe to date

Quality-of-service in wireless sensor networks: state-of-the-art and future directions

Wireless sensor networks (WSNs) are one of today’s most prominent instantiations of the ubiquituous computing paradigm. In order to achieve high levels of integration, WSNs need to be conceived considering requirements beyond the mere system’s functionality. While Quality-of-Service (QoS) is traditionally associated with bit/data rate, network throughput, message delay and bit/packet error rate, we believe that this concept is too strict, in the sense that these properties alone do not reflect the overall quality-ofservice provided to the user/application. Other non-functional properties such as scalability, security or energy sustainability must also be considered in the system design. This paper identifies the most important non-functional properties that affect the overall quality of the service provided to the users, outlining their relevance, state-of-the-art and future research directions.