Real-time tracking and reporting of dynamic events in hierarchical wireless sensor networks

Wireless Sensor Networks (WSNs) are highly distributed systems in which resource allocation (bandwidth, memory) must be performed efficiently to provide a minimum acceptable Quality of Service (QoS) to the regions where critical events occur. In fact, if resources are statically assigned independently from the location and instant of the events, these resources will definitely be misused. In other words, it is more efficient to dynamically grant more resources to sensor nodes affected by critical events, thus providing better network resource management and reducing endto- end delays of event notification and tracking. In this paper, we discuss the use of a WSN management architecture based on the active network management paradigm to provide the real-time tracking and reporting of dynamic events while ensuring efficient resource utilization. The active network management paradigm allows packets to transport not only data, but also program scripts that will be executed in the nodes to dynamically modify the operation of the network. This presumes the use of a runtime execution environment (middleware) in each node to interpret the script. We consider hierarchical (e.g. cluster-tree, two-tiered architecture) WSN topologies since they have been used to improve the timing performance of WSNs as they support deterministic medium access control protocols.

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.

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

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Supporting real-time parallel task models with work-stealing

Dynamic parallel scheduling using work-stealing has gained popularity in academia and industry for its good performance, ease of implementation and theoretical bounds on space and time. Cores treat their own double-ended queues (deques) as a stack, pushing and popping threads from the bottom, but treat the deque of another randomly selected busy core as a queue, stealing threads only from the top, whenever they are idle. However, this standard approach cannot be directly applied to real-time systems, where the importance of parallelising tasks is increasing due to the limitations of multiprocessor scheduling theory regarding parallelism. Using one deque per core is obviously a source of priority inversion since high priority tasks may eventually be enqueued after lower priority tasks, possibly leading to deadline misses as in this case the lower priority tasks are the candidates when a stealing operation occurs. Our proposal is to replace the single non-priority deque of work-stealing with ordered per-processor priority deques of ready threads. The scheduling algorithm starts with a single deque per-core, but unlike traditional work-stealing, the total number of deques in the system may now exceed the number of processors. Instead of stealing randomly, cores steal from the highest priority deque.

Entity localization and tracking: a sensor fusion-based mechanism in WSNs

Knowing exactly where a mobile entity is and monitoring its trajectory in real-time has recently attracted a lot of interests from both academia and industrial communities, due to the large number of applications it enables, nevertheless, it is nowadays one of the most challenging problems from scientific and technological standpoints. In this work we propose a tracking system based on the fusion of position estimations provided by different sources, that are combined together to get a final estimation that aims at providing improved accuracy with respect to those generated by each system individually. In particular, exploiting the availability of a Wireless Sensor Network as an infrastructure, a mobile entity equipped with an inertial system first gets the position estimation using both a Kalman Filter and a fully distributed positioning algorithm (the Enhanced Steepest Descent, we recently proposed), then combines the results using the Simple Convex Combination algorithm. Simulation results clearly show good performance in terms of the final accuracy achieved. Finally, the proposed technique is validated against real data taken from an inertial sensor provided by THALES ITALIA.

Kalman tracking linear predictor for vowel intelligibility enhancement on european portuguese HMM based speech synthesis

The recent developments on Hidden Markov Models (HMM) based speech synthesis showed that this is a promising technology fully capable of competing with other established techniques. However some issues still lack a solution. Several authors report an over-smoothing phenomenon on both time and frequencies which decreases naturalness and sometimes intelligibility. In this work we present a new vowel intelligibility enhancement algorithm that uses a discrete Kalman filter (DKF) for tracking frame based parameters. The inter-frame correlations are modelled by an autoregressive structure which provides an underlying time frame dependency and can improve time-frequency resolution. The system’s performance has been evaluated using objective and subjective tests and the proposed methodology has led to improved results.

Real-time energy resources scheduling considering intensive wind penetration

The use of distributed energy resources, based on natural intermittent power sources, like wind generation, in power systems imposes the development of new adequate operation management and control methodologies. A short-term Energy Resource Management (ERM) methodology performed in two phases is proposed in this paper. The first one addresses the day-ahead ERM scheduling and the second one deals with the five-minute ahead ERM scheduling. The ERM scheduling is a complex optimization problem due to the high quantity of variables and constraints. In this paper the main goal is to minimize the operation costs from the point of view of a virtual power player that manages the network and the existing resources. The optimization problem is solved by a deterministic mixedinteger non-linear programming approach. A case study considering a distribution network with 33 bus, 66 distributed generation, 32 loads with demand response contracts and 7 storage units and 1000 electric vehicles has been implemented in a simulator developed in the field of the presented work, in order to validate the proposed short-term ERM methodology considering the dynamic power system behavior.

Motivations in volunteer work

The objective of this paper is to review and discuss the literature about volunteers’ motivations to donate their time to NGOs (Non Governmental Organisations). According to Parboteeah, Cullenb & Lim (2004) management research has not paid much attention to voluntarism, however, voluntarism is a substantial part of productive work for many societies. Wilson & Pimm (1996) show that in Great Britain about 39% of the adult population has been involved in some volunteer activity for some period of time. In the U.S.A. these values reach 50% (Wilson & Pimm, 1996). Considering the benefits that voluntarism can bring to an organisation, we understand that more attention must be devoted to this phenomenon. The more an organisation knows volunteers, the better this organisation will be able to meet the needs and expectations of these individuals. We present a literature review that illustrates and compares the different motivations associated with volunteer work. The paper includes a bibliographical databases search in specialised journals. The search used the key words “motivations” and “voluntarism” (in the heading and text body) and covered all numbers between 2000 and 2007. We identify the existence of repeated motivations (Holmberg & Söderlung, 2005; Prouteau & Wolff, 2008; Soupourmas & Ironmonger, 2001; Yavas & Riecken, 1997), which allow the establishment of a typology of volunteers’ motivations, based on four categories: altruism, social needs, self-esteem, learning and self-development. Finally we identify three main gaps in the literature that justify further research. First, research focusing on the differences between motivations related to volunteers’ "Attraction" versus "Retention" in NGO’s is nil. Second, the great majority of the studies rely on north American (USA and Canada) and Australian context, which demands for further research in European countries. Third, the majority of NGOs researched are related to sport, art or the environment, and it would be interesting to explore the relationship between motivation and NGO type. These questions may obtain interesting answers for NGO management, in particular with regard to volunteer attraction and retention.

Motivations and management factors of volunteer work in nonprofit organisations: a literature review

The objective of this paper is to review and discuss the literature about volunteers’ motivations to donate their time to NPOs and the management factors that can influence volunteer work. Firstly, the paper illustrates and compares the different types of motivation followed by a presentation of a typology that organises the volunteers’ motivations into four types: (i) altruism, (ii) belonging, (iii) ego and social recognition and (iv) development and learning. Secondly we discuss the key management factors in volunteering: recruitment, training and rewarding. Finally, we present four gaps in the literature that justify the scope for further research: (i) omission of differences between motivations related to volunteers’ "Attraction" versus "Retention"; (ii) focus of the research on the USA, UK and Australia context; (iii) absence of comparative analyses that relate motivations by NPO types and (iv) comprehension of how management factors (recruitment, training and rewarding) influence volunteers’ satisfaction and retention.

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.

Detecção e seguimento de objectos em imagens termográficas: análise experimental de modelos de descrição

A instalação de sistemas de videovigilância, no interior ou exterior, em locais como aeroportos, centros comerciais, escritórios, edifícios estatais, bases militares ou casas privadas tem o intuito de auxiliar na tarefa de monitorização do local contra eventuais intrusos. Com estes sistemas é possível realizar a detecção e o seguimento das pessoas que se encontram no ambiente local, tornando a monitorização mais eficiente. Neste contexto, as imagens típicas (imagem natural e imagem infravermelha) são utilizadas para extrair informação dos objectos detectados e que irão ser seguidos. Contudo, as imagens convencionais são afectadas por condições ambientais adversas como o nível de luminosidade existente no local (luzes muito fortes ou escuridão total), a presença de chuva, de nevoeiro ou de fumo que dificultam a tarefa de monitorização das pessoas. Deste modo, tornou‐se necessário realizar estudos e apresentar soluções que aumentem a eficácia dos sistemas de videovigilância quando sujeitos a condições ambientais adversas, ou seja, em ambientes não controlados, sendo uma das soluções a utilização de imagens termográficas nos sistemas de videovigilância. Neste documento são apresentadas algumas das características das câmaras e imagens termográficas, assim como uma caracterização de cenários de vigilância. Em seguida, são apresentados resultados provenientes de um algoritmo que permite realizar a segmentação de pessoas utilizando imagens termográficas. O maior foco desta dissertação foi na análise dos modelos de descrição (Histograma de Cor, HOG, SIFT, SURF) para determinar o desempenho dos modelos em três casos: distinguir entre uma pessoa e um carro; distinguir entre duas pessoas distintas e determinar que é a mesma pessoa ao longo de uma sequência. De uma forma sucinta pretendeu‐se, com este estudo, contribuir para uma melhoria dos algoritmos de detecção e seguimento de objectos em sequências de vídeo de imagens termográficas. No final, através de uma análise dos resultados provenientes dos modelos de descrição, serão retiradas conclusões que servirão de indicação sobre qual o modelo que melhor permite discriminar entre objectos nas imagens termográficas.

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.

Supporting intra-task parallelism in real-time multiprocessor systems

Os sistemas de tempo real modernos geram, cada vez mais, cargas computacionais pesadas e dinâmicas, começando-se a tornar pouco expectável que sejam implementados em sistemas uniprocessador. Na verdade, a mudança de sistemas com um único processador para sistemas multi- processador pode ser vista, tanto no domínio geral, como no de sistemas embebidos, como uma forma eficiente, em termos energéticos, de melhorar a performance das aplicações. Simultaneamente, a proliferação das plataformas multi-processador transformaram a programação paralela num tópico de elevado interesse, levando o paralelismo dinâmico a ganhar rapidamente popularidade como um modelo de programação. A ideia, por detrás deste modelo, é encorajar os programadores a exporem todas as oportunidades de paralelismo através da simples indicação de potenciais regiões paralelas dentro das aplicações. Todas estas anotações são encaradas pelo sistema unicamente como sugestões, podendo estas serem ignoradas e substituídas, por construtores sequenciais equivalentes, pela própria linguagem. Assim, o modo como a computação é na realidade subdividida, e mapeada nos vários processadores, é da responsabilidade do compilador e do sistema computacional subjacente. Ao retirar este fardo do programador, a complexidade da programação é consideravelmente reduzida, o que normalmente se traduz num aumento de produtividade. Todavia, se o mecanismo de escalonamento subjacente não for simples e rápido, de modo a manter o overhead geral em níveis reduzidos, os benefícios da geração de um paralelismo com uma granularidade tão fina serão meramente hipotéticos. Nesta perspetiva de escalonamento, os algoritmos que empregam uma política de workstealing são cada vez mais populares, com uma eficiência comprovada em termos de tempo, espaço e necessidades de comunicação. Contudo, estes algoritmos não contemplam restrições temporais, nem outra qualquer forma de atribuição de prioridades às tarefas, o que impossibilita que sejam diretamente aplicados a sistemas de tempo real. Além disso, são tradicionalmente implementados no runtime da linguagem, criando assim um sistema de escalonamento com dois níveis, onde a previsibilidade, essencial a um sistema de tempo real, não pode ser assegurada. Nesta tese, é descrita a forma como a abordagem de work-stealing pode ser resenhada para cumprir os requisitos de tempo real, mantendo, ao mesmo tempo, os seus princípios fundamentais que tão bons resultados têm demonstrado. Muito resumidamente, a única fila de gestão de processos convencional (deque) é substituída por uma fila de deques, ordenada de forma crescente por prioridade das tarefas. De seguida, aplicamos por cima o conhecido algoritmo de escalonamento dinâmico G-EDF, misturamos as regras de ambos, e assim nasce a nossa proposta: o algoritmo de escalonamento RTWS. Tirando partido da modularidade oferecida pelo escalonador do Linux, o RTWS é adicionado como uma nova classe de escalonamento, de forma a avaliar na prática se o algoritmo proposto é viável, ou seja, se garante a eficiência e escalonabilidade desejadas. Modificar o núcleo do Linux é uma tarefa complicada, devido à complexidade das suas funções internas e às fortes interdependências entre os vários subsistemas. Não obstante, um dos objetivos desta tese era ter a certeza que o RTWS é mais do que um conceito interessante. Assim, uma parte significativa deste documento é dedicada à discussão sobre a implementação do RTWS e à exposição de situações problemáticas, muitas delas não consideradas em teoria, como é o caso do desfasamento entre vários mecanismo de sincronização. Os resultados experimentais mostram que o RTWS, em comparação com outro trabalho prático de escalonamento dinâmico de tarefas com restrições temporais, reduz significativamente o overhead de escalonamento através de um controlo de migrações, e mudanças de contexto, eficiente e escalável (pelo menos até 8 CPUs), ao mesmo tempo que alcança um bom balanceamento dinâmico da carga do sistema, até mesmo de uma forma não custosa. Contudo, durante a avaliação realizada foi detetada uma falha na implementação do RTWS, pela forma como facilmente desiste de roubar trabalho, o que origina períodos de inatividade, no CPU em questão, quando a utilização geral do sistema é baixa. Embora o trabalho realizado se tenha focado em manter o custo de escalonamento baixo e em alcançar boa localidade dos dados, a escalonabilidade do sistema nunca foi negligenciada. Na verdade, o algoritmo de escalonamento proposto provou ser bastante robusto, não falhando qualquer meta temporal nas experiências realizadas. Portanto, podemos afirmar que alguma inversão de prioridades, causada pela sub-política de roubo BAS, não compromete os objetivos de escalonabilidade, e até ajuda a reduzir a contenção nas estruturas de dados. Mesmo assim, o RTWS também suporta uma sub-política de roubo determinística: PAS. A avaliação experimental, porém, não ajudou a ter uma noção clara do impacto de uma e de outra. No entanto, de uma maneira geral, podemos concluir que o RTWS é uma solução promissora para um escalonamento eficiente de tarefas paralelas com restrições temporais.

Soil remediation time to achieve clean-up goals I: influence of soil water content

The current models are not simple enough to allow a quick estimation of the remediation time. This work reports the development of an easy and relatively rapid procedure for the forecasting of the remediation time using vapour extraction. Sandy soils contaminated with cyclohexane and prepared with different water contents were studied. The remediation times estimated through the mathematical fitting of experimental results were compared with those of real soils. The main objectives were: (i) to predict, through a simple mathematical fitting, the remediation time of soils with water contents different from those used in the experiments; (ii) to analyse the influence of soil water content on the: (ii1) remediation time; (ii2) remediation efficiency; and (ii3) distribution of contaminants in the different phases present into the soil matrix after the remediation process. For sandy soils with negligible contents of clay and natural organic matter, artificially contaminated with cyclohexane before vapour extraction, it was concluded that (i) if the soil water content belonged to the range considered in the experiments with the prepared soils, then the remediation time of real soils of similar characteristics could be successfully predicted, with relative differences not higher than 10%, through a simple mathematical fitting of experimental results; (ii) increasing soil water content from 0% to 6% had the following consequences: (ii1) increased remediation time (1.8–4.9 h, respectively); (ii2) decreased remediation efficiency (99–97%, respectively); and (ii3) decreased the amount of contaminant adsorbed onto the soil and in the non-aqueous liquid phase, thus increasing the amount of contaminant in the aqueous and gaseous phases.

Soil remediation time to achieve clean-up goals II: influence of natural organic matter and water contents

This work reports a relatively rapid procedure for the forecasting of the remediation time (RT) of sandy soils contaminated with cyclohexane using vapour extraction. The RT estimated through the mathematical fitting of experimental results was compared with that of real soils. The main objectives were: (i) to predict the RT of soils with natural organic matter (NOM) and water contents different from those used in experiments; and (ii) to analyse the time and efficiency of remediation, and the distribution of contaminants into the soil matrix after the remediation process, according to the soil contents of: (ii1) NOM; and (ii2) water. For sandy soils with negligible clay contents, artificially contaminated with cyclohexane before vapour extraction, it was concluded that: (i) if the NOM and water contents belonged to the range of the prepared soils, the RT of real soils could be predicted with relative differences not higher than 12%; (ii1) the increase of NOM content from 0% to 7.5% increased the RT (1.8–13 h) and decreased the remediation efficiency (RE) (99–90%) and (ii2) the increase of soil water content from 0% to 6% increased the RT (1.8–4.9 h) and decreased the RE (99–97%). NOM increases the monolayer capacity leading to a higher sorption into the solid phase. Increasing of soil water content reduces the mass transfer coefficient between phases. Concluding, NOM and water contents influence negatively the remediation process, turning it less efficient and more time consuming, and consequently more expensive.