A traffic differentiation add-on to the IEEE 802.15.4 protocol: implementation and experimental validation over a real-time operating system

The IEEE 802.15.4 is the most widespread used protocol for Wireless Sensor Networks (WSNs) and it is being used as a baseline for several higher layer protocols such as ZigBee, 6LoWPAN or WirelessHART. Its MAC (Medium Access Control) supports both contention-free (CFP, based on the reservation of guaranteed time-slots GTS) and contention based (CAP, ruled by CSMA/CA) access, when operating in beacon-enabled mode. Thus, it enables the differentiation between real-time and best-effort traffic. However, some WSN applications and higher layer protocols may strongly benefit from the possibility of supporting more traffic classes. This happens, for instance, for dense WSNs used in time-sensitive industrial applications. In this context, we propose to differentiate traffic classes within the CAP, enabling lower transmission delays and higher success probability to timecritical messages, such as for event detection, GTS reservation and network management. Building upon a previously proposed methodology (TRADIF), in this paper we outline its implementation and experimental validation over a real-time operating system. Importantly, TRADIF is fully backward compatible with the IEEE 802.15.4 standard, enabling to create different traffic classes just by tuning some MAC parameters.

Optimal location of gas supply units in natural gas system network

Natural gas industry has been confronted with big challenges: great growth in demand, investments on new GSUs – gas supply units, and efficient technical system management. The right number of GSUs, their best location on networks and the optimal allocation to loads is a decision problem that can be formulated as a combinatorial programming problem, with the objective of minimizing system expenses. Our emphasis is on the formulation, interpretation and development of a solution algorithm that will analyze the trade-off between infrastructure investment expenditure and operating system costs. The location model was applied to a 12 node natural gas network, and its effectiveness was tested in five different operating scenarios.

Deteção e acompanhamento de movimento através de uma câmara de vídeo

A deteção e seguimento de pessoas tem uma grande variedade de aplicações em visão computacional. Embora tenha sido alvo de anos de investigação, continua a ser um tópico em aberto, e ainda hoje, um grande desafio a obtenção de uma abordagem que inclua simultaneamente exibilidade e precisão. O trabalho apresentado nesta dissertação desenvolve um caso de estudo sobre deteção e seguimento automático de faces humanas, em ambiente de sala de reuniões, concretizado num sistema flexível de baixo custo. O sistema proposto é baseado no sistema operativo GNU's Not Unix (GNU) linux, e é dividido em quatro etapas, a aquisição de vídeo, a deteção da face, o tracking e reorientação da posição da câmara. A aquisição consiste na captura de frames de vídeo das três câmaras Internet Protocol (IP) Sony SNC-RZ25P, instaladas na sala, através de uma rede Local Area Network (LAN) também ele já existente. Esta etapa fornece os frames de vídeo para processamento à detecção e tracking. A deteção usa o algoritmo proposto por Viola e Jones, para a identificação de objetos, baseando-se nas suas principais características, que permite efetuar a deteção de qualquer tipo de objeto (neste caso faces humanas) de uma forma genérica e em tempo real. As saídas da deteção, quando é identificado com sucesso uma face, são as coordenadas do posicionamento da face, no frame de vídeo. As coordenadas da face detetada são usadas pelo algoritmo de tracking, para a partir desse ponto seguir a face pelos frames de vídeo subsequentes. A etapa de tracking implementa o algoritmo Continuously Adaptive Mean-SHIFT (Camshift) que baseia o seu funcionamento na pesquisa num mapa de densidade de probabilidade, do seu valor máximo, através de iterações sucessivas. O retorno do algoritmo são as coordenadas da posição e orientação da face. Estas coordenadas permitem orientar o posicionamento da câmara de forma que a face esteja sempre o mais próximo possível do centro do campo de visão da câmara. Os resultados obtidos mostraram que o sistema de tracking proposto é capaz de reconhecer e seguir faces em movimento em sequências de frames de vídeo, mostrando adequabilidade para aplicação de monotorização em tempo real.

CoS: a new perspective of operating systems design for the cyber-physical world

Our day-to-day life is dependent on several embedded devices, and in the near future, many more objects will have computation and communication capabilities enabling an Internet of Things. Correspondingly, with an increase in the interaction of these devices around us, developing novel applications is set to become challenging with current software infrastructures. In this paper, we argue that a new paradigm for operating systems needs to be conceptualized to provide aconducive base for application development on Cyber-physical systems. We demonstrate its need and importance using a few use-case scenarios and provide the design principles behind, and an architecture of a co-operating system or CoS that can serve as an example of this new paradigm.

Real-Time Visual Ground-Truth System for Indoor Robotic Applications

The robotics community is concerned with the ability to infer and compare the results from researchers in areas such as vision perception and multi-robot cooperative behavior. To accomplish that task, this paper proposes a real-time indoor visual ground truth system capable of providing accuracy with at least more magnitude than the precision of the algorithm to be evaluated. A multi-camera architecture is proposed under the ROS (Robot Operating System) framework to estimate the 3D position of objects and the implementation and results were contextualized to the Robocup Middle Size League scenario.

On the use of IEEE 802.15.4/Zigbee for time-sensitive wireless sensor network applications

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

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.

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.

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.

Code offloading on real-time multimedia systems: a framework for handling code mobility and code offloading in a QoS aware environment

Actualmente, os smartphones e outros dispositivos móveis têm vindo a ser dotados com cada vez maior poder computacional, sendo capazes de executar um vasto conjunto de aplicações desde simples programas de para tirar notas até sofisticados programas de navegação. Porém, mesmo com a evolução do seu hardware, os actuais dispositivos móveis ainda não possuem as mesmas capacidades que os computadores de mesa ou portáteis. Uma possível solução para este problema é distribuir a aplicação, executando partes dela no dispositivo local e o resto em outros dispositivos ligados à rede. Adicionalmente, alguns tipos de aplicações como aplicações multimédia, jogos electrónicos ou aplicações de ambiente imersivos possuem requisitos em termos de Qualidade de Serviço, particularmente de tempo real. Ao longo desta tese é proposto um sistema de execução de código remota para sistemas distribuídos com restrições de tempo-real. A arquitectura proposta adapta-se a sistemas que necessitem de executar periodicamente e em paralelo mesmo conjunto de funções com garantias de tempo real, mesmo desconhecendo os tempos de execução das referidas funções. A plataforma proposta foi desenvolvida para sistemas móveis capazes de executar o Sistema Operativo Android.

PSiS mobile

Os sistemas de recomendação têm vindo a ser cada vez mais utilizados nos últimos anos. Por isso, é imprescindível que estes sistemas se adaptem à evolução da sociedade incluindo cada vez mais novas funcionalidades, tais como a adaptação do sistema ao contexto da pessoa. Esta adaptação pode ser feita através de, por exemplo, dispositivos móveis, que têm vindo a apresentar uma taxa de crescimento de vendas muito grande. Dada a crescente integração dos sistemas de recomendação com os sistemas móveis, foi elaborado um estudo sobre o estado da arte dos sistemas de auxílio ao turista que utilizam dispositivos móveis, sendo apresentadas as suas vantagens e desvantagens. Estes sistemas móveis de auxílio a turistas foram divididos em dois grupos: os que apresentam apenas a informação sobre pontos de interesse e os sistemas que são capazes de efectuar recomendações, com base no perfil do turista. Um breve estudo sobre os sistemas operativos para dispositivos móveis é apresentado, sendo especialmente focado o sistema operativo Android que foi o escolhido para esta implementação. Como os dispositivos móveis, actualmente, ainda possuem várias limitações, estas foram descritas e apresentadas as boas práticas no desenvolvimento de aplicações para este tipo de sistemas. É também apresentado um estudo que visa descobrir qual é o método mais leve e mais rápido para trocar dados entre a parte servidora e a parte móvel. Com a parte introdutória apresentada, é exposto o projecto desenvolvido nesta tese, o PSiS Mobile. Este sistema é um módulo que faz parte do projecto PSiS e pretende trazer todas as vantagens dos sistemas móveis para o sistema base já implementado. O projecto PSiS foca-se no estabelecimento de planos de visita personalizados com indicação de percursos para turistas com tempo limitado. Apoiando a definição de planos de visitas de acordo com o perfil do turista (interesses, valores pessoais, desejos, restrições, deficiências, etc.) combinando os produtos de turismo mais adequados (locais de interesse, eventos, restaurantes, etc.) em itinerários eficientes. A utilização de dispositivos móveis para acompanhamento da visita permite uma rápida interacção entre o turista e o sistema. Assim, o PSiS poderá recolher informação contextual do utilizador para que o perfil do mesmo seja enriquecido. O sistema apresentado é composto por duas partes: a parte cliente e a parte servidora. Toda a informação, como por exemplo o perfil do turista, histórico de viagens e valores de similaridade entre utilizadores está presente na parte servidora. O processo de recomendação também é efectuado pela aplicação servidora, sendo esta a responsável pela atribuição de uma classificação aos pontos de interesse tendo em conta o perfil do utilizador em causa. A base de dados do PSiS possui toda a informação relativa aos pontos de interesse numa determinada cidade ou região e o portfólio completo do histórico de visitas de cada utilizador. A componente móvel é uma parte muito importante para o sistema, pois interage com o utilizador no terreno. Um dispositivo móvel como o PDA, não só permite a apresentação de informação relevante ao utilizador, como também permite a recolha automática de informação contextual (por exemplo, a localização). Toda esta informação contribui para a definição de um perfil completo e para uma melhor adaptação do sistema às necessidades do utilizador. De forma a nem sempre estar dependente do servidor, a aplicação móvel possui rotinas para a realização de recomendações básicas. Ou seja, a aplicação móvel não realiza a classificação dos pontos de interesse, mas apenas mostra os principais resultados já formados pela parte servidora. Por exemplo, se um utilizador gostar de comida Chinesa, um restaurante Chinês nas imediações irá ter uma boa classificação e, por isso, ser recomendado. A aplicação móvel mostra ao turista o percurso definido para o dia em que o mesmo se encontra, sendo feito o rastreio do trajecto que o mesmo efectua. Assim, o sistema consegue saber se o horário do planeamento está a ser cumprido ou não. Caso não esteja, é invocado um algoritmo de planeamento que irá tentar corrigir o atraso ou o adiantamento perante o horário inicial. Depois de visitar um ponto de interesse, é pedido ao utilizador para fornecer feedback sobre o mesmo. Se desejado também é possível mostrar os pontos de interesse existentes perto do turista (usando as coordenadas GPS obtidas pelo dispositivo móvel) organizados por categorias, raio de distância, etc. Apesar dos dispositivos móveis possuírem várias restrições, pretendeu-se proporcionar ao utilizador uma boa experiência, através de uma aplicação rápida, de fácil utilização e adaptável, incluindo funcionalidades de planeamento, realidade aumentada e integração com a rede social do sistema. Todos estes factores contribuem para a disponibilização de informação detalhada ao turista.

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.