Diagnostiikkayksikön kehittäminen rautatiesovellukseen

Suomessa rautatiellä käytetään muutamia tuhansia sähköisesti ohjattavia vaihteita, joiden toiminta varmistetaan määräajoin tehtävillä huolloilla. Työssä on tutkittu, onko kehitteillä olevalla vaihteenohjaimella mahdollista mitata ja analysoida vaihteen kunnonvalvontaan liittyviä suureita. Tutkimuksessa on tutustuttu rautatietekniikkaan sekä vaihdetta ohjaavaan vaihteenkääntölaitteeseen. Tutkimuksen perusteella on kehitetty sulautettuun järjestelmään perustuva mittaus- ja analysointijärjestelmäsovellus, joka tekee mittauksia, havaintoja ja johtopäätöksiä vaihteen toiminnasta. Mittaukset on suoritettu moottoria ohjaavista johtimista ja mittaustulokset on tallennettu analysointia ja jatkokäsittelyä varten. Ohjelmiston toimintaa on varmistettu mittauksilla sekä laboratorio-olosuhteissa että oikealla vaihteella testausympäristössä. Saatujen tulosten perusteella voidaan todeta, että kehitetyllä laitteistolla on mahdollista toteuttaa vaihdetta diagnosoivia mittauksia riittävän laadukkaasti ja tarkasti. Työssä kehitetty järjestelmäalusta soveltuu käytettäväksi vaihteen diagnostiikan jatkokehittämiselle.

Kannettavan kaasuilmaisimen suunnittelu ja toteutus

Työn tarkoituksena on suunnitella ja toteuttaa kannettava kaasuilmaisin, joka soveltuu erityisesti tavallisen kuluttajan tarpeisiin. Kaasuilmaisin on herkkä haihtuville palaville kaasuille, sekä orgaanisille kaasuille. Työssä käytetään Atmelin ATMega164P- mikrokontrolleria, piirin ohjelmointiin käytetään AVR-ISP-II, ja kehitystyökaluina AVRStudio 4:ää. Piirilevy on suunniteltu Cadsoftin Eagle- piirieditorilla. Työssä käydään läpi kokonaisvaltainen sulautetun järjestelmän suunnitteluprosessi, tuotteen spesifikaatioiden määrityksistä aina valmiin fyysisen tuotteen valmistuttamiseen asti. Tuote suunnitellaan Environics Oy:lle.

Sähköauto osana älykästä sähköverkkoa – Ohjaus ja toiminnallisuudet

Tulevaisuudessa sähköverkko kohtaa monia haasteita, kun sähköautot yleistyvät, vaatien suuren tehotarpeen. Uusiutuvan energiantuotannon epävarma huipputehon tuotanto ei välttämättä pysty kattamaan sähköautoista johtuvaa suurta tehopiikkiä, jos suuret määrät ajoneuvoista kytketään yhtä aikaa lataukseen. Jos sähköajoneuvot voidaan ladata ohjatusti, ei välttämättä tarvita lisäenergian tuotantoa kattamaan kasvanutta huipputehon tarvetta. Lisäksi sähköajoneuvojen akut toimivat koko sähköverkolle energiavarastoina, jollaista ei ole ennen ollut. Älykkäällä sähköverkolla voidaan ohjata sähköajoneuvon latausta, mikäli ajoneuvossa on ohjausjärjestelmä ja akkujen varaustilan mittaus. Tässä kandidaatin työssä ohjelmoidaan mittaus- ja ohjauskortti plug-in hybridiautoa varten, jossa on V2G-ominaisuus. Ohjainkortista toteutetaan toimintakuvaus, jonka mukaan se myös ohjelmoidaan. Ohjainkortti mittaa akkujen jännitettä ja virtaa, joista voidaan määrittää akkujen varaustilat. Ohjainkortti lähettää tiedot eteenpäin PC:lle, jolta ohjainkortti saa käskyn toimintatilasta. Mittaustietojen perusteella voidaan seurata mahdollisia vikatilanteita. Kandidaatintyön aikana ohjainkorttia ei ehditty asentamaan ajoneuvoon, mutta laboratoriotestien mukaan voidaan todeta, että ohjainkortti on ohjelmallisesti toimiva. Mittauksissa selvisi, että ohjainkortin mittaustulot eivät olleet tarpeeksi tarkkoja käyttökohteeseen. Todettiin, että ohjainkortti vaatii rakenteellisia muutoksia mittaustuloksien parantamista varten, ennen ohjainkortin käyttöönottoa, mutta kandidaatintyön tavoitteet saavutettiin.

Ohjelmistotuotannon menetelmien käyttö sulautetuissa järjestelmissä

Sulautettujen järjestelmien tekemisessä käytettävät metodit ovat moninaiset. Tämä johtuu siitä, että sulautettuja järjestelmiä on tuhansia erilaisia, sekä laitteiston ja ohjelmiston rakentamisen eroavaisuuksista. Sovellukset vaihtelevat kännyköistä aina avaruusluotaimiin. Näihin projekteihin on sovellettu metodeita joita ei ole alun perin suunniteltu laitteiston ja ohjelmiston yhteissuunnitteluun ja toteuttamiseen. Ohjelmistotuotannon menetelmistä oikean valinta nimenomaan tietylle sulautetulle järjestelmälle on haasteellista. Viimeisimpinä ovat tulleet erilaiset ketterät menetelmät ja niitäkin on olemassa useita erilaisia. Ketteriä ja perinteisempiä ohjelmistotuotannon menetelmiä esitellään tässä kandidaatin työssä. Tässä työssä on tarkoituksena selvittää mitkä olisivat parhaiten soveltuvia sulautetun järjestelmän projektille.

Ketterien menetelmien hyödyntäminen sulautettujen järjestelmien kehityksessä

Sulautettujen järjestelmien projekti voidaan toteuttaa monella tavalla. Projektiin liittyy aina ohjelmiston, sekä laitteiston kehittäminen. Ohjelmiston suunnittelulla on suuri painoarvo ja tämä näkyy erityisesti varsinkin kulutuselektroniikassa. Kannettavien laitteiden räjähdysmäisesti lisääntynyt myynti ja käyttö ovat tuoneet markkinoille lisää rahaa ja mielenkiintoa. Tästä johtuen markkinoille tulee joka vuosi entistä kehittyneempiä laitteita. Laitteiston kehittymisen sekä asiakkaiden vaatimusten lisääntyessä ohjelmistojen koko on kasvanut. Tämä on luonut tarpeen myös sulautettujen järjestelmien projekteille ottaa käyttöön jokin tietty metodi ohjelmistojen tuotannossa. Ongelmana on kuitenkin se, että sulautettujen järjestelmien projekteihin on sovellettu metodeita, joita ei ole alun perin suunniteltu laitteiston ja ohjelmiston yhteissuunnitteluun ja toteuttamiseen. Miten voidaan valita oikea metodi sulautettujen järjestelmien projektiin? Tässä työssä esitellään perinteisiä ohjelmistotuotannon metodeita, sekä keskitytään eri ketterien metodien tutkimiseen. Tämä työ selvittää mikä vaikuttaa metodin valintaan sulautetun järjestelmän projektille. Tässä tutkimuksessa päädytään siihen johtopäätökseen, että sulautetuin järjestelmän suunnittelussa ja toteutuksessa ketterien menetelmien käyttö parantaa projektin mahdollisuutta onnistua täyttämään asiakkaan vaatimukset. Ketterien menetelmien käyttö ei poista tarvetta kehittää menetelmää, joka lähtökohtaisesti ottaa huomioon laitteiston ja ohjelmiston yhteissuunnittelun.

Hajautetun automaation käyttö osana simulaatiota

Työssä perehdytään simulaatiotekniikkaan, jossa käytetään osana fyysistä laitteistoa, ja siihen tarvittaviin komponentteihin, kuten ohjelmistorajapintoihin sekä kenttäväylään. Työssä tutustutaan myös IEC 61131-3 ja IEC 61499 -standardien mukaisiin toimintolohkomalleihin, joita käytetään automaatiossa. Näiden perusteella kehitetään järjestelmä, jonka avulla Simulink-ympäristössä voidaan oman toimintolohkon avulla käyttää taajuusmuuttajaa osana simulaatiota. Tällaisen reaaliaikaisen systeemin eri osien väliseen synkronointiin kiinnitetään myös huomiota. Järjestelmää testataan simulaatiomallilla, jossa syötetään vääntömomenttiohje taajuusmuuttajalle, joka mittaa siihen kytketyn moottorin pyörimisnopeuden. Mallilla voidaan esimerkiksi arvioida kuorman hitausmomentti. Työssä tutustutaan myös taajuusmuuttajien ohjelmallisiin ominaisuuksiin ja niiden perusteella pohditaan esitetyn kaltaisten järjestelmien käyttöä hajautettuna automaatiojärjestelmänä. Kokeellinen työ tehtiin säätö- ja digitaalitekniikan laboratoriossa vuoden 2010 aikana.

A Model-Based Development and Verification Framework for Distributed System-on-Chip Architecture

The capabilities and thus, design complexity of VLSI-based embedded systems have increased tremendously in recent years, riding the wave of Moore’s law. The time-to-market requirements are also shrinking, imposing challenges to the designers, which in turn, seek to adopt new design methods to increase their productivity. As an answer to these new pressures, modern day systems have moved towards on-chip multiprocessing technologies. New architectures have emerged in on-chip multiprocessing in order to utilize the tremendous advances of fabrication technology. Platform-based design is a possible solution in addressing these challenges. The principle behind the approach is to separate the functionality of an application from the organization and communication architecture of hardware platform at several levels of abstraction. The existing design methodologies pertaining to platform-based design approach don’t provide full automation at every level of the design processes, and sometimes, the co-design of platform-based systems lead to sub-optimal systems. In addition, the design productivity gap in multiprocessor systems remain a key challenge due to existing design methodologies. This thesis addresses the aforementioned challenges and discusses the creation of a development framework for a platform-based system design, in the context of the SegBus platform - a distributed communication architecture. This research aims to provide automated procedures for platform design and application mapping. Structural verification support is also featured thus ensuring correct-by-design platforms. The solution is based on a model-based process. Both the platform and the application are modeled using the Unified Modeling Language. This thesis develops a Domain Specific Language to support platform modeling based on a corresponding UML profile. Object Constraint Language constraints are used to support structurally correct platform construction. An emulator is thus introduced to allow as much as possible accurate performance estimation of the solution, at high abstraction levels. VHDL code is automatically generated, in the form of “snippets” to be employed in the arbiter modules of the platform, as required by the application. The resulting framework is applied in building an actual design solution for an MP3 stereo audio decoder application.

Building distributed high availability system

Today’s commercial web sites are under heavy user load and they are expected to be operational and available at all times. Distributed system architectures have been developed to provide a scalable and failure tolerant high availability platform for these web based services. The focus on this thesis was to specify and implement resilient and scalable locally distributed high availability system architecture for a web based service. Theory part concentrates on the fundamental characteristics of distributed systems and presents common scalable high availability server architectures that are used in web based services. In the practical part of the thesis the implemented new system architecture is explained. Practical part also includes two different test cases that were done to test the system's performance capacity.

A Distributed Microservices Framework Integrating Taverna

Presentation at Open Repositories 2014, Helsinki, Finland, June 9-13, 2014

Embedded Service Bus for Internet of Things Interoperability

Internet of Things (IoT) technologies are developing rapidly, and therefore there exist several standards of interconnection protocols and platforms. The existence of heterogeneous protocols and platforms has become a critical challenge for IoT system developers. To mitigate this challenge, few alliances and organizations have taken the initiative to build a framework that helps to integrate application silos. Some of these frameworks focus only on a specific domain like home automation. However, the resource constraints in the large proportion of connected devices make it difficult to build an interoperable system using such frameworks. Therefore, a general purpose, lightweight interoperability framework that can be used for a range of devices is required. To tackle the heterogeneous nature, this work introduces an embedded, distributed and lightweight service bus, Lightweight IoT Service bus Architecture (LISA), which fits inside the network stack of a small real-time operating system for constrained nodes. LISA provides a uniform application programming interface for an IoT system on a range of devices with variable resource constraints. It hides platform and protocol variations underneath it, thus facilitating interoperability in IoT implementations. LISA is inspired by the Network on Terminal Architecture, a service centric open architecture by Nokia Research Center. Unlike many other interoperability frameworks, LISA is designed specifically for resource constrained nodes and it provides essential features of a service bus for easy service oriented architecture implementation. The presented architecture utilizes an intermediate computing layer, a Fog layer, between the small nodes and the cloud, thereby facilitating the federation of constrained nodes into subnetworks. As a result of a modular and distributed design, the part of LISA running in the Fog layer handles the heavy lifting to assist the lightweight portion of LISA inside the resource constrained nodes. Furthermore, LISA introduces a new networking paradigm, Node Centric Networking, to route messages across protocol boundaries to facilitate interoperability. This thesis presents a concept implementation of the architecture and creates a foundation for future extension towards a comprehensive interoperability framework for IoT.

Control of a line robot system with Embedded Linux

Many, if not all, aspects of our everyday lives are related to computers and control. Microprocessors and wireless communications are involved in our lives. Embedded systems are an attracting field because they combine three key factors, small size, low power consumption and high computing capabilities. The aim of this thesis is to study how Linux communicates with the hardware, to answer the question if it is possible to use an operating system like Debian for embedded systems and finally, to build a Mechatronic real time application. In the thesis a presentation of Linux and the Xenomai real time patch is given, the bootloader and communication with the hardware is analyzed. BeagleBone the evaluation board is presented along with the application project consisted of a robot cart with a driver circuit, a line sensor reading a black line and two Xbee antennas. It makes use of Xenomai threads, the real time kernel. According to the obtained results, Linux is able to operate as a real time operating system. The issue of future research is the area of embedded Linux is also discussed.

Distributed Energy Production in the North-West Region of Russia

The energy system of Russia is the world's fourth largest measured by installed power. The largest are that of the the United States of America, China and Japan. After 1990, the electricity consumption decreased as a result of the Russian industry crisis. The vivid economic growth during the latest few years explains the new increase in the demand for energy resources within the State. In 2005 the consumption of electricity achieved the maximum level of 1990 and continues to growth. In the 1980's, the renewal of power facilities was already very slow and practically stopped in the 1990's. At present, the energy system can be very much characterized as outdated, inefficient and uneconomic because of the old equipment, non-effective structure and large losses in the transmission lines. The aim of Russia's energy reform, which was started in 2001, is to achieve a market based energy policy by 2011. This would thus remove the significantly state-controlled monopoly in Russia's energy policy. The reform will stimulateto decrease losses, improve the energy system and employ energy-saving technologies. The Russian energy system today is still based on the use of fossil fuels, and it almost totally ignores the efficient use of renewable sources such as wind, solar, small hydro and biomass, despite of their significant resources in Russia. The main target of this project is to consider opportunities to apply renewable energy production in the North-West Federal Region of Russia to partly solve the above mentioned problems in the energy system.

Design of an Embedded Computer Board for Networking Applications

Tämä diplomityö tehtiin Convergens Oy:lle. Convergens on elektroniikan suunnittelutoimisto, joka on erikoistunut sulautettuihin järjestelmiin sekä tietoliikennetekniikkaan. Diplomityön tavoitteena oli suunnitella tietokonekortti tietoliikennesovelluksia varten asiakkaalle, jolta vaatimusmäärittelyt tulivat. Työ on rajattu koskemaan laitteen prototyypin suunnittelua. Työssä suunnitellaan pääasiassa WLAN-tukiaseman tietokone. Tukiasema onasennettavissa toimistoihin, varastoihin, kauppoihin sekä myös liikkuvaan ajoneuvoon. Suunnittelussa on otettu nämä asiat huomioon, ja laitteen akun pystyy lataamaan muun muassa auton akulla. Langattomat tekniikat ovat voimakkaasti yleistymässä, ja tämän työn tukiasema tarjoaakin varteenotettavan vaihtoehdon lukuisilla ominaisuuksillaan. Mukana on mm. GPS, Bluetooth sekä Ethernet-valmius. Langattomien tekniikoiden lisäksi myös sulautetut järjestelmät ovat voimakkaasti yleistymässä, ja nykyään mikroprosessoreita löytääkin lähesmistä vain. Tässä projektissa käytetty prosessori on nopeutensa puolesta kilpailukykyinen, ja siitä löytyy useita eri rajapintoja. Jatkossa tietokonekortille on myös tulossa WiMAX-tuki, joka lisää tukiaseman tulevaisuuden arvoa asiakkaalle. Projektiin valittu Freescalen MPC8321E-prosessori on PowerPC-arkkitehtuuriin perustuva ja juuri markkinoille ilmestynyt. Tämä toi mukanaan lisähaasteen, sillä kyseisestä prosessorista ei ollut vielä kaikkea tietoa saatavilla. Mekaniikka toi omat haasteensa mukanaan, sillä se rajoitti piirilevyn koonniin, että ylimääräistä piirilevytilaa ei juurikaan jäänyt. Tämän takia esimerkiksi DDR-muistit olivat haastavia reitittää, sillä muistivetojen on oltava melko samanpituisia keskenään. Käyttöjärjestelmänä projektissa käytetään Linuxia. Suunnittelu alkoi keväällä 2007 ja toimiva prototyyppi oli valmis alkusyksystä. Prototyypin testaus osoitti, että tietokonekortti kykenee täyttämään kaikki asiakkaan vaatimukset. Prototyypin testauksessa löytyneet viat ja optimoinnit on tarkoitus korjata tuotantomalliin, joten se antaa hyvän pohjan jatkosuunnittelua varten.

Protection of publicly distributed software components

The nature of client-server architecture implies that some modules are delivered to customers. These publicly distributed commercial software components are under risk, because users (and simultaneously potential malefactors) have physical access to some components of the distributed system. The problem becomes even worse if interpreted programming languages are used for creation of client side modules. The language Java, which was designed to be compiled into platform independent byte-code is not an exception and runs the additional risk. Along with advantages like verifying the code before execution (to ensure that program does not produce some illegal operations)Java has some disadvantages. On a stage of byte-code a java program still contains comments, line numbers and some other instructions, which can be used for reverse-engineering. This Master's thesis focuses on protection of Java code based client-server applications. I present a mixture of methods to protect software from tortious acts. Then I shall realize all the theoretical assumptions in a practice and examine their efficiency in examples of Java code. One of the criteria's to evaluate the system is that my product is used for specialized area of interactive television.