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.

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.

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).

Evaluating Android OS for embedded real-time systems

Since its official public release, Android has captured the interest from companies, developers and the general audience. From that time up to now, this software platform has been constantly improved either in terms of features or supported hardware and, at the same time, extended to new types of devices different from the originally intended mobile ones. However, there is a feature that has not been explored yet - its real-time capabilities. This paper intends to explore this gap and provide a basis for discussion on the suitability of Android in order to be used in Open Real-Time environments. By analysing the software platform, with the main focus on the virtual machine and its underlying operating system environments, we are able to point out its current limitations and, therefore, provide a hint on different perspectives of directions in order to make Android suitable for these environments. It is our position that Android may provide a suitable architecture for real-time embedded systems, but the real-time community should address its limitations in a joint effort at all of the platform layers.

Handling mobility on a QoS-Aware servicebased framework for mobile systems

Mobile applications are becoming increasingly more complex and making heavier demands on local system resources. Moreover, mobile systems are nowadays more open, allowing users to add more and more applications, including third-party developed ones. In this perspective, it is increasingly expected that users will want to execute in their devices applications which supersede currently available resources. It is therefore important to provide frameworks which allow applications to benefit from resources available on other nodes, capable of migrating some or all of its services to other nodes, depending on the user needs. These requirements are even more stringent when users want to execute Quality of Service (QoS) aware applications, such as voice or video. The required resources to guarantee the QoS levels demanded by an application can vary with time, and consequently, applications should be able to reconfigure themselves. This paper proposes a QoS-aware service-based framework able to support distributed, migration-capable, QoS-enabled applications on top of the Android Operating system.

A framework for QoS-Aware service-based mobile systems

In this paper we propose a framework for the support of mobile application with Quality of Service (QoS) requirements, such as voice or video, capable of supporting distributed, migration-capable, QoS-enabled applications on top of the Android Operating system.

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.

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.

Solução Industrial para Controlo de OEE

É cada vez mais forte e natural o desenvolvimento de aplicações móveis. Hoje em dia qualquer pessoa seja de forma amadora ou profissional tenta tirar o máximo partido do seu dispositivo móvel, através de aplicações desenvolvidas para as mais diversas áreas. Um dos sistemas operativos que mais programadores apostam é no Android devido à sua versatilidade e ás suas capacidades enquanto sistema operativo dentro de um smartphone. Para além dessas mais-valias, desenvolver uma aplicação para Android não tem qualquer custo, apenas terá, caso seja uma aplicação para adicionar a Google Play Store, caso contrário pode desenvolver-se qualquer tipo de aplicação sem custos, o que não acontece com outros sistemas operativos. Tendo em conta os custos, é normal as pequenas e médias empresas tentarem investir neste tipo de desenvolvimento, pois evitam gastos em licenciamentos para produzir os seus produtos. Seguindo este contexto, esta dissertação insere-se nesse perfil, isto é, tentar encontrar uma solução com baixos custos e que produza os resultados pretendidos. Através das mais diversas API’s é possível adaptar o sistema operativo Android a qualquer área apenas basta enquadrar da melhor maneira ideias e dar asas à imaginação. Desta forma, esta dissertação irá centrar-se na área industrial, na qual o Android pode e deve ser bastante útil, se for usado com rigor. Irá ser abordado o desenvolvimento de aplicações móveis e serão analisadas as tecnologias envolventes no projeto assim como algumas das principais soluções já implementadas e desenvolvidas por empresas no setor e para o sector industrial. O projeto aborda também de que forma é possível aliar o sistema operativo Android á área industrial de forma a permitir um melhor desempenho por parte de todos em prol da empresa á qual está associado. A necessidade de criação desta aplicação, surgiu numa perspectiva de melhoria contínua, com o objectivo de abandonar o procedimento instituído, que era realizado manualmente, passando a fazê-lo de uma forma automática e mais interativa. O processo será realizado pelos colaboradores e terá sempre o seu contributo, mas de uma forma mais rigorosa, simples e eficiente, aumentando a qualidade do serviço.

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.