Intra-Task Device Scheduling for Real-Time Embedded Systems

An ever increasing need for extra functionality in a single embedded system demands for extra Input/Output (I/O) devices, which are usually connected externally and are expensive in terms of energy consumption. To reduce their energy consumption, these devices are equipped with power saving mechanisms. While I/O device scheduling for real-time (RT) systems with such power saving features has been studied in the past, the use of energy resources by these scheduling algorithms may be improved. Technology enhancements in the semiconductor industry have allowed the hardware vendors to reduce the device transition and energy overheads. The decrease in overhead of sleep transitions has opened new opportunities to further reduce the device energy consumption. In this research effort, we propose an intra-task device scheduling algorithm for real-time systems that wakes up a device on demand and reduces its active time while ensuring system schedulability. This intra-task device scheduling algorithm is extended for devices with multiple sleep states to further minimise the overall device energy consumption of the system. The proposed algorithms have less complexity when compared to the conservative inter-task device scheduling algorithms. The system model used relaxes some of the assumptions commonly made in the state-of-the-art that restrict their practical relevance. Apart from the aforementioned advantages, the proposed algorithms are shown to demonstrate the substantial energy savings.

A Green Approach for Selfish Misbehavior Detection in 802.11-Based Wireless Networks

IEEE 802.11 is one of the most well-established and widely used standard for wireless LAN. Its Medium Access control (MAC) layer assumes that the devices adhere to the standard’s rules and timers to assure fair access and sharing of the medium. However, wireless cards driver flexibility and configurability make it possible for selfish misbehaving nodes to take advantages over the other well-behaving nodes. The existence of selfish nodes degrades the QoS for the other devices in the network and may increase their energy consumption. In this paper we propose a green solution for selfish misbehavior detection in IEEE 802.11-based wireless networks. The proposed scheme works in two phases: Global phase which detects whether the network contains selfish nodes or not, and Local phase which identifies which node or nodes within the network are selfish. Usually, the network must be frequently examined for selfish nodes during its operation since any node may act selfishly. Our solution is green in the sense that it saves the network resources as it avoids wasting the nodes energy by examining all the individual nodes of being selfish when it is not necessary. The proposed detection algorithm is evaluated using extensive OPNET simulations. The results show that the Global network metric clearly indicates the existence of a selfish node while the Local nodes metric successfully identified the selfish node(s). We also provide mathematical analysis for the selfish misbehaving and derived formulas for the successful channel access probability.

CANDi: context-aware node discovery for short-range cooperation

Multi-standard mobile devices are allowing users to enjoy higher data rates with ubiquitous connectivity. However, the benefits gained from multiple interfaces come at an expense—that being higher energy consumption in an era where mobile devices need to be energy compliant. One promising solution is the usage of short-range cooperative communication as an overlay for infrastructure-based networks taking advantage of its context information. However, the node discovery mechanism, which is pivotal to the bearer establishment process, still represents a major burden in terms of the total energy budget. In this paper, we propose a technology agnostic approach towards enhancing the MAC energy ratings by presenting a context-aware node discovery (CANDi) algorithm, which provides a priori knowledge towards the node discovery mechanism by allowing it to search nodes in the near vicinity at the ‘right time and at the right place’. We describe the different beacons required for establishing the cooperation, as well as the context information required, including battery level, modes, location and so on. CANDi uses the long-range network (WiMAX and WiFi) to distribute the context information about cooperative clusters (Ultra-wideband-based) in the vicinity. The searching nodes can use this context in locating the cooperative clusters/nodes, which facilitates the establishing of short-range connections. Analytical and simulation results are obtained, and the energy saving gains are further demonstrated in the laboratory using a customised testbed. CANDi saves up to 50% energy during the node discovery process, while the demonstrative testbed shows up to 75% savings in the total energy budget, thus validating the algorithm, as well as providing viable evidence to support the usage of short-range cooperative communications for energy savings.

Performance Analysis of IEEE 802.15.6 Contention-based MAC Protocol

IEEE International Conference on Communications (IEEE ICC 2015). 8 to 12, Jun, 2015, IEEE ICC 2015 - Communications QoS, Reliability and Modeling, London, United Kingdom.

A Real Time Vision System for Autonomous Systems: Characterization during a Middle Size Match

in RoboCup 2007: Robot Soccer World Cup XI

Formal Contracts for Runtime Verification Support in the Ada Programming Language

Poster presented in The 28th GI/ITG International Conference on Architecture of Computing Systems (ARCS 2015). 24 to 26, Mar, 2015. Porto, Portugal.

Sistema de Gestão Técnica Aplicado Aos Sistemas de Rega

A cidade do Porto é uma das regiões do país onde é importante uma gestão sustentável e integrada dos recursos hídricos. A (re) utilização de água surge neste contexto como uma possível resposta na sua utilização como um recurso hídrico passível de ser usado beneficamente, permitindo a poupança de fontes de água convencionais e aumentando a disponibilidade dos recursos hídricos existentes para finalidades que requerem padrões de qualidade mais exigentes. O potencial desta prática no nosso país é enorme, considerando que o volume de água tratada descarregada no ano 2000 era suficiente para suprir 10% das necessidades em água para rega num ano seco, sem necessidade de armazenamento sazonal. Por outro lado, um sistema de rega, quando devidamente projetado e funcionando adequadamente, permite que a água seja aplicada com um caudal, duração e frequência que maximizam o consumo da água e nutrientes pela planta. Este projeto consiste no desenvolvimento de um Sistema de Gestão Técnica para o controlo do sistema de rega dos jardins do ISEP – Instituto Politécnico de Engenharia do Porto com recurso a um autómato programável (PLC). Pretende-se otimizar os consumos energéticos do sistema de rega tendo em conta os parâmetros de humidade, temperatura e velocidade do vento característicos do local a regar. Outros dos objetivos é controlar o processo de enchimento e de rega. Esta operação consiste no controlo das bombas e respetivos débitos e conhecimento dos caudais necessários. Pretende-se, igualmente, definir e colocar em marcha todo o equipamento necessário para a realização do projeto. Os dados coletados devem ser tratados de tal modo que possam ser realizadas análises diárias, mensais e/ou anuais. Neste trabalho foram efetuados os cálculos de dimensionamentos relativamente às necessidades hídricas da planta e necessidades de rega, entre outros.

Produção Fotovoltaica em Autoconsumo e Pequena Produção: Caso de Estudo do ISEP

A presente dissertação insere-se no âmbito da unidade curricular de “Dissertação/Projeto/Estágio”, do 2º ano do mestrado em Engenharia Eletrotécnica – Sistemas Elétricos de Energia. Com o crescente aumento do consumo energético a nível mundial, e consequente esgotamento dos recursos fósseis, surge a necessidade de procurar soluções alternativas para a produção de energia. As energias renováveis aparecem como uma solução sustentável na produção de eletricidade, pois a sua produção representa um menor custo. Este trabalho tem como principais objetivos o dimensionamento de uma central de produção fotovoltaica para o ISEP nos regimes de exploração em autoconsumo e pequena produção, tendo em conta o atual Decreto-Lei (DL) n.º 153/2014, e também a análise de viabilidade económica dessa mesma instalação. O sistema fotovoltaico usado no dimensionamento em autoconsumo e pequena produção foi realizado com recurso ao software PVsyst. Tendo em conta que os consumos do ISEP são bastante inferiores nos períodos de férias escolares e fins-de-semana, e também por haver uma limitação de área disponível para a colocação dos módulos fotovoltaicos, a melhor opção a adotar será um sistema fotovoltaico de 237 kWp, tanto para autoconsumo como para pequena produção. Outro objetivo é a realização de um estudo de viabilidade económica do sistema fotovoltaico dimensionado. Os resultados obtidos permitem então clarificar qual dos regimes de exploração é mais viável para o ISEP, sendo que esses resultados poderão servir de apoio a uma futura decisão, caso o ISEP decida instalar um sistema deste tipo.

Sistema de Gestão Técnica Aplicado aos Sistemas de Rega

A cidade do Porto é uma das regiões do país onde é importante uma gestão sustentável e integrada dos recursos hídricos. A (re) utilização de água surge neste contexto como uma possível resposta na sua utilização como um recurso hídrico passível de ser usado beneficamente, permitindo a poupança de fontes de água convencionais e aumentando a disponibilidade dos recursos hídricos existentes para finalidades que requerem padrões de qualidade mais exigentes. O potencial desta prática no nosso país é enorme, considerando que o volume de água tratada descarregada no ano 2000 era suficiente para suprir 10% das necessidades em água para rega num ano seco, sem necessidade de armazenamento sazonal. Por outro lado, um sistema de rega, quando devidamente projetado e funcionando adequadamente, permite que a água seja aplicada com um caudal, duração e frequência que maximizam o consumo da água e nutrientes pela planta. Este projeto consiste no desenvolvimento de um Sistema de Gestão Técnica para o controlo do sistema de rega dos jardins do ISEP – Instituto Politécnico de Engenharia do Porto com recurso a um autómato programável (PLC). Pretende-se otimizar os consumos energéticos do sistema de rega tendo em conta os parâmetros de humidade, temperatura e velocidade do vento característicos do local a regar. Outros dos objetivos é controlar o processo de enchimento e de rega. Esta operação consiste no controlo das bombas e respetivos débitos e conhecimento dos caudais necessários. Pretende-se, igualmente, definir e colocar em marcha todo o equipamento necessário para a realização do projeto. Os dados coletados devem ser tratados de tal modo que possam ser realizadas análises diárias, mensais e/ou anuais. Neste trabalho foram efetuados os cálculos de dimensionamentos relativamente às necessidades hídricas da planta e necessidades de rega, entre outros.

Autoconsumo: Um Elemento de Eficiência Energética

Nos últimos anos assistiu-se ao crescente aumento do custo da Energia Elétrica (EE), com grande impacto após o ano 2012 devido à alteração no escalão da taxa de IVA aplicável. Por outro lado tem-se ainda vindo a verificar o aumento do défice tarifário devido a um conjunto de medidas e decisões estratégicas que atualmente estão a ser pagas por todos os consumidores de energia. A introdução dos programas da microprodução seguida da miniprodução, por parte da Direção Geral de Energia e Geologia (DGEG), permitiu aos pequenos e grandes consumidores de EE, efetuar localmente produção de EE por intermedio de fontes renováveis. Contudo, segundo as “limitações” por parte destes programas, apenas era permitido aos novos pequenos produtores injetar toda a eletricidade produzida na rede elétrica, não proporcionando qualquer benefício ao nível do consumo de energia local. Ano após ano, tem-se verificado uma revisão negativa, por parte da DGEG, sobre as tarifas de remuneração da energia produzida por estes sistemas, o que abalou significativamente um setor que até aqui tinha vindo a crescer a passos largos. Tendo em conta esta nova realidade surge a necessidade de procurar alternativas mais viáveis. A alternativa proposta, não é nada mais do que uma “revisão eficiente” dos atuais sistemas em vigor, permitindo assim aos pequenos produtores, atenuar os consumos energéticos e injetar na rede os excedentes de energia. O Autoconsumo revoluciona assim os atuais mecanismos existentes, garantindo deste modo que os consumidores de EE possam reduzir a sua fatura de eletricidade através da geração local de energia.

Impacto da influência de um Sistema de Gestão Técnica Centralizada na redução dos custos de exploração de um edifício

É de conhecimento do meio, que os Sistemas de Gestão Técnica Centralizada (SGTC) são uma mais-valia para a redução de utilização de energia associados principalmente aos sistemas de Aquecimento, Ventilação e Ar Condicionado (AVAC) apesar das potencialidades serem abrangentes a outras áreas. No entanto, existe alguma lacuna quanto à quantificação dessa mais-valia, facto importante sobretudo para a alteração de mentalidades dos promotores e proprietários dos edifícios, que por falta de prova, normalmente apenas associam o SGTC a um investimento num serviço desnecessário. As potencialidades dos SGTC são muitas, a título de exemplo, redução na utilização de fontes de energia, gestão da manutenção de sistemas e equipamentos, análise de eficiências de equipamentos, entre muitas outras, sendo nesta dissertação estudado com mais profundidade a questão associada à diferença dos custos de exploração resultantes da utilização de energia num edifício por parte dos sistemas de AVAC, isto é, quais serão os ganhos na utilização da energia, associados ao sistema AVAC, que podem ser obtidos com a implementação de um SGTC. Para o efeito, utilizou-se os sistemas e equipamentos existentes no edifício ECOTERMOLAB, pertencente ao Instituto de Soldadura e Qualidade (ISQ), com o objetivo de verificar as diferenças de utilização de energia resultantes do funcionamento do edifício em normal atividade, isto é, o edifício com todos os seus sistemas operacionais, incluindo o SGTC, e o edifício em funcionamento sem o auxílio do SGTC, ou seja, todos os sistemas associados ao sistema AVAC em funcionamento em modo manual e sem recurso a variação de caudal na rede aeráulica e hidráulica. Em termos anuais, o ECOTERMOLAB consome, aproximadamente, cerca de 38,1 MWh de energia elétrica e 39,2 MWh de gás natural, o que representa uma utilização de energia primária de 14,4 tep/ano. Esta energia, representa um encargo financeiro anual de, aproximadamente, 9500€/ano, correspondente a 7000€/ano de energia elétrica e 2500€/ano de gás natural. Após a análise desenvolvida neste trabalho, conclui-se que o funcionamento do edifício sem controlo do sistema de AVAC por SGTC representaria em termos anuais a um aumento de, aproximadamente, 25,2 MWh e 6,2 MWh de energia elétrica e de gás natural, respetivamente. Em termos de energia primária, a diferença entre soluções origina um acréscimo na utilização de energia de 7,8 tep/ano o que representa um aumento de emissão de CO2 na ordem das 9,4 ton/ano. A avaliação económica, recaiu sobre a determinação de indicadores para avaliação da viabilidade de implementação de um SGTC, nomeadamente, o período de retorno simples, o valor atual líquido e a taxa interna de rentabilidade. Todos estes indicadores se revelaram positivos, apresentando um período de retorno ligeiramente superior a oito anos, um valor atual líquido positivo (8864,1€) e uma taxa interna de rentabilidade superior à taxa de custo de capital (11,2%).

Auditoria Energética a Instalação Comercial

O setor da indústria destaca-se como um dos maiores consumidores de energia final em Portugal, representando cerca de 30% do consumo. Para fazer face a esta situação e no âmbito da Estratégia Nacional para a Energia foi criado, pelo Decreto-Lei n.º 71/2008, o Sistema de Gestão dos Consumos Intensivos de Energia (SGCIE), regulamento que classifica como Consumidoras Intensivas de Energia (CIE) as indústrias com um consumo anual superior aos 500 tep. Prevendo a elaboração de Planos de Racionalização dos Consumos de Energia (PREn), estabelecendo-se acordos de racionalização dos consumos com a Direção Geral de Energia e Geologia (DGEG) [1]. Atuando ao nível da eficiência energética o consumo de energia na indústria pode diminuir significativamente, para tal é necessário proceder-se à execução de auditorias energéticas e determinar as soluções mais adequadas de forma a reduzir os desperdícios e custos associados ao consumo de energia. Nesta dissertação apresenta-se a realização de uma auditoria energética a uma instalação comercial, que assenta essencialmente em quatro etapas, nomeadamente: planeamento da intervenção, trabalho de campo, tratamento e análise da informação recolhida, elaboração do relatório da auditoria. A aplicação desta metodologia constitui uma grande ajuda na realização de auditorias energéticas conferindo uma maior qualidade à sua execução. De forma a validar a metodologia utilizada nas auditorias energéticas foi realizado o estudo a uma instalação comercial que registou no ano 2013, um consumo energético inferior a 500 tep, contudo aderiu de forma voluntária ao Sistema de Gestão dos Consumos Intensivos de Energia (SGCIE), sendo obrigado a racionalizar o seu consumo de energia de acordo com as metas estabelecidas no SGCIE.

Water jet based autonomous surface vehicle for coastal waters operations

This paper presents the design of low cost, small autonomous surface vehicle for missions in the coastal waters and specifically for the challenging surf zone. The main objective of the vehicle design described in this paper is to address both the capability of operation at sea in relative challenging conditions and maintain a very low set of operational requirements (ease of deployment). This vehicle provides a first step towards being able to perform general purpose missions (such as data gathering or patrolling) and to at least in a relatively short distances to be able to be used in rescue operations (with very low handling requirements) such as carrying support to humans on the water. The USV is based on a commercially available fiber glass hull, it uses a directional waterjet powered by an electrical brushless motor for propulsion, thus without any protruding propeller reducing danger in rescue operations. Its small dimensions (1.5 m length) and weight allow versatility and ease of deployment. The vehicle design is described in this paper both from a hardware and software point of view. A characterization of the vehicle in terms of energy consumption and performance is provided both from test tank and operational scenario tests. An example application in search and rescue is also presented and discussed with the integration of this vehicle in the European ICARUS (7th framework) research project addressing the development and integration of robotic tools for large scale search and rescue operations.

Learning sustainability by developing a solar dryer for microalgae retrieval

The development of nations depends on energy consumption, which is generally based on fossil fuels. This dependency produces irreversible and dramatic effects on the environment, e.g. large greenhouse gas emissions, which in turn cause global warming and climate changes, responsible for the rise of the sea level, floods, and other extreme weather events. Transportation is one of the main uses of energy, and its excessive fossil fuel dependency is driving the search for alternative and sustainable sources of energy such as microalgae, from which biodiesel, among other useful compounds, can be obtained. The process includes harvesting and drying, two energy consuming steps, which are, therefore, expensive and unsustainable. The goal of this EPS@ISEP Spring 2013 project was to develop a solar microalgae dryer for the microalgae laboratory of ISEP. A multinational team of five students from distinct fields of study was responsible for designing and building the solar microalgae dryer prototype. The prototype includes a control system to ensure that the microalgae are not destroyed during the drying process. The solar microalgae dryer works as a distiller, extracting the excess water from the microalgae suspension. This paper details the design steps, the building technologies, the ethical and sustainable concerns and compares the prototype with existing solutions. The proposed sustainable microalgae drying process is competitive as far as energy usage is concerned. Finally, the project contributed to increase the deontological ethics, social compromise skills and sustainable development awareness of the students.

Impact of sensor nodes scaling and velocity on handover mechanisms for healthcare wireless sensor networks with mobility support

Health promotion in hospital environments can be improved using the most recent information and communication technologies. The Internet connectivity to small sensor nodes carried by patients allows remote access to their bio-signals. To promote these features the healthcare wireless sensor networks (HWSN) are used. In these networks mobility support is a key issue in order to keep patients under realtime monitoring even when they move around. To keep sensors connected to the network, they should change their access points of attachment when patients move to a new coverage area along an infirmary. This process, called handover, is responsible for continuous network connectivity to the sensors. This paper presents a detailed performance evaluation study considering three handover mechanisms for healthcare scenarios (Hand4MAC, RSSI-based, and Backbone-based). The study was performed by simulation using several scenarios with different number of sensors and different moving velocities of sensor nodes. The results show that Hand4MAC is the best solution to guarantee almost continuous connectivity to sensor nodes with less energy consumption.