Ultra-Low Power and Non-intrusive Wireless Monitoring for Smart Buildings

Wireless Sensor Networks (WSNs) offer a new solution for distributed monitoring, processing and communication. First of all, the stringent energy constraints to which sensing nodes are typically subjected. WSNs are often battery powered and placed where it is not possible to recharge or replace batteries. Energy can be harvested from the external environment but it is a limited resource that must be used efficiently. Energy efficiency is a key requirement for a credible WSNs design. From the power source's perspective, aggressive energy management techniques remain the most effective way to prolong the lifetime of a WSN. A new adaptive algorithm will be presented, which minimizes the consumption of wireless sensor nodes in sleep mode, when the power source has to be regulated using DC-DC converters. Another important aspect addressed is the time synchronisation in WSNs. WSNs are used for real-world applications where physical time plays an important role. An innovative low-overhead synchronisation approach will be presented, based on a Temperature Compensation Algorithm (TCA). The last aspect addressed is related to self-powered WSNs with Energy Harvesting (EH) solutions. Wireless sensor nodes with EH require some form of energy storage, which enables systems to continue operating during periods of insufficient environmental energy. However, the size of the energy storage strongly restricts the use of WSNs with EH in real-world applications. A new approach will be presented, which enables computation to be sustained during intermittent power supply. The discussed approaches will be used for real-world WSN applications. The first presented scenario is related to the experience gathered during an European Project (3ENCULT Project), regarding the design and implementation of an innovative network for monitoring heritage buildings. The second scenario is related to the experience with Telecom Italia, regarding the design of smart energy meters for monitoring the usage of household's appliances.

Web app per la gestione della propria auto elettrica

In questa tesi viene analizzato il concetto di mobilità elettrica e viene proposta un’applicazione per la gestione della propria auto elettrica. L'applicazione in questione si pone come scopo l’agevolazione delle interazioni dell’utente con l’auto a distanza. Analizzando le caratteristiche principali dell’auto elettrica, ne vengono delineati i benefici e le limitazioni dell’autonomia, per la quale si suggerisce soluzione tramite regole da adottare alla guida. Attraverso la comparazione con le tipologie di applicazioni esistenti per la mobilità si decide che genere di approccio adottare nella realizzazione della nostra applicazione. Seguono la descrizione delle tecnologie di sviluppo del progetto sotto forma di applicazione ibrida, tra le quali ci si sofferma sull'utilizzo di linguaggi di markup, fogli di stile e JavaScript lato client. Di quest’ultimo ne vengono elencate le API utilizzate, in particolare Google Maps e Google Charts. Successivamente si introduce il concetto di simulazione server ed i metodi e le tecniche adottate per renderlo effettivo. Infine vengono spiegate le scelte implementative nonché i metodi e le decisioni presi in ambito di sviluppo per realizzare al meglio l’applicazione, fornendo una presentazione dettagliata delle sue funzionalità.

Meccanismi di Gamification per interfacce human-vehicle

L’obiettivo principale di questa tesi è utilizzare le tecniche di gamification più importanti nella progettazione ed implementazione di un’interfaccia Human-Vehicle per creare un software che possa rendere la guida di un’automobile elettrica più efficace ed efficiente da parte del guidatore. Per lo sviluppo del software è stato svolto uno studio specifico sulla gamification, sulle interfacce Human-Vehicle e sulle macchine elettriche attualmente in produzione. Successivamente è stata svolta la fase di progettazione in cui sono stati creati dei mockup relativi all’interfaccia grafica ed è stato svolto un focus group. Infine è stato implementato il vero e proprio software di simulazione EcoGame ed è stato effettuato un test utenti.

BatNet: a 6LoWPAN-based sensors and actuators network

Improving energy efficiency in buildings is one of the goals of the Smart City initiatives and a challenge for the European Union. This paper presents a 6LoWPAN wireless transducer network (BatNet) as part of an open energy management system. This network has been designed to operate in buildings, to collect environmental information (temperature, humidity, illumination and presence) and electrical consumption in real time (voltage, current and power factor). The system has been implemented and tested in the Energy Efficiency Research Facility at CeDInt-UPM.

Análisis de la viabilidad técnica de las aerobombas para el riego localizado

Actualmente la agricultura cubana, por ser un sector estratégico en la economía del país, incorpora en su desarrollo y gestión las energías renovables como criterio básico para su viabilidad futura. Sin embargo existen un número de problemas que limitan el desarrollo de estas fuentes energéticas en Cuba, entre los que se encuentran el conocimiento incompleto de su potencial de utilización. Por esta razón, la presente investigación tiene como objetivo la maximización de la superficie regada de un cultivo dado y la determinación del volumen de regulación mínimo, usando una aerobomba tipo, en condiciones ambientales dadas. Se desarrolla una metodología para predecir la máxima potencialidad de las aerobombas para un sistema de riego localizado, basada en el cálculo del balance diario entre las necesidades de agua del cultivo y la disponibilidad de agua. Mediante un ejemplo que ilustra el uso de esta metodología en el cultivo de tomate (Solanum lycopersicum L. var. FL - 5) bajo invernadero en Ciego de Ávila, Cuba, se hace una descripción de los elementos de la instalación propuesta para el suministro de agua por parte de la aerobomba. Se estudiaron varios factores, tales como la serie de velocidad del viento trihoraria ( h V3 , m s-1) para un año medio de viento y para un año medio de poco viento; el caudal suministrado por la aerobomba en función de la altura de elevación ( H , m); y la evapotranspiración diaria del cultivo en invernadero en función de la fecha de siembra. A partir de los factores mencionados se determinaron los volúmenes de agua mensuales necesarios para el riego ( r D , m3 ha-1), la capacidad del depósito de almacenamiento ( dep. V , m3), así como las áreas máximas regables ( r A , ha) para cada variante. Los resultados muestran que el período óptimo de bombeo eólico para el riego del cultivo de tomate en invernadero bajo las condiciones ambientales estudiadas es de noviembre a febrero, y que los factores que más influyen en la superficie que se puede regar con el bombeo eólico son la fecha de plantación y el volumen de depósito. Abstract Currently Cuban agriculture, as a strategic sector in the economy of the country, incorporates in its development and renewable energy management as a basic criterion for its future viability. However, there are a number of problems that limit the development of these energy sources in Cuba, among which are the incomplete knowledge of their potential use. For this reason, this research aims at maximizing the irrigated area of a given culture and determination of minimum control volume, using a type Windpump in given environmental conditions. We develop a methodology to predict the maximum potential of windmills for irrigation system, based on the daily balance calculation between the crop water needs and water availability. Through an example that illustrates the use of this methodology in the cultivation of tomato (Solanum lycopersicum L. var. FL - 5) under greenhouse in Ciego de Avila, Cuba, is a description of the elements of the proposed facility to supply water from the windmill. We studied several factors such as the number of trihoraria wind speed ( h V3 , m s- 1) for an average wind year and an average year with little wind, the flow supplied by the windmill depending on the lift height ( H , m) and daily crop evapotranspiration in greenhouse based on planting date. From the above factors were determined monthly water volumes needed for irrigation ( r D , m3 ha-1), the storage tank capacity ( dep. V , m3) and peak areas irrigated ( r A , ha) for each variant. The results show that the optimal period wind pumping for irrigation of greenhouse tomato crop under the environmental conditions studied is from November to February, and that the factors that influence the surface that can be irrigated with wind pumping are planting date and amount of deposit.

Open Technologies for prototyping the Internet of Things

The worldwide "hyper-connection" of any object around us is the challenge that promises to cover the paradigm of the Internet of Things. If the Internet has colonized the daily life of more than 2000 million1 people around the globe, the Internet of Things faces of connecting more than 100000 million2 "things" by 2020. The underlying Internet of Things’ technologies are the cornerstone that promises to solve interrelated global problems such as exponential population growth, energy management in cities, and environmental sustainability in the average and long term. On the one hand, this Project has the goal of knowledge acquisition about prototyping technologies available in the market for the Internet of Things. On the other hand, the Project focuses on the development of a system for devices management within a Wireless Sensor and Actuator Network to offer some services accessible from the Internet. To accomplish the objectives, the Project will begin with a detailed analysis of various “open source” hardware platforms to encourage creative development of applications, and automatically extract information from the environment around them for transmission to external systems. In addition, web platforms that enable mass storage with the philosophy of the Internet of Things will be studied. The project will culminate in the proposal and specification of a service-oriented software architecture for embedded systems that allows communication between devices on the network, and the data transmission to external systems. Furthermore, it abstracts the complexities of hardware to application developers. RESUMEN. La “hiper-conexión” a nivel mundial de cualquier objeto que nos rodea es el desafío al que promete dar cobertura el paradigma de la Internet de las Cosas. Si la Internet ha colonizado el día a día de más de 2000 millones1 de personas en todo el planeta, la Internet de las Cosas plantea el reto de conectar a más de 100000 millones2 de “cosas” para el año 2020. Las tecnologías subyacentes de la Internet de las Cosas son la piedra angular que prometen dar solución a problemas globales interrelacionados como el crecimiento exponencial de la población, la gestión de la energía en las ciudades o la sostenibilidad del medioambiente a largo plazo. Este Proyecto Fin de Carrera tiene como principales objetivos por un lado, la adquisición de conocimientos acerca de las tecnologías para prototipos disponibles en el mercado para la Internet de las Cosas, y por otro lado el desarrollo de un sistema para la gestión de dispositivos de una red inalámbrica de sensores que ofrezcan unos servicios accesibles desde la Internet. Con el fin de abordar los objetivos marcados, el proyecto comenzará con un análisis detallado de varias plataformas hardware de tipo “open source” que estimulen el desarrollo creativo de aplicaciones y que permitan extraer de forma automática información del medio que les rodea para transmitirlo a sistemas externos para su posterior procesamiento. Por otro lado, se estudiarán plataformas web identificadas con la filosofía de la Internet de las Cosas que permitan el almacenamiento masivo de datos que diferentes plataformas hardware transfieren a través de la Internet. El Proyecto culminará con la propuesta y la especificación una arquitectura software orientada a servicios para sistemas empotrados que permita la comunicación entre los dispositivos de la red y la transmisión de datos a sistemas externos, así como facilitar el desarrollo de aplicaciones a los programadores mediante la abstracción de la complejidad del hardware.

Desarrollo de un entorno inteligente en el contexto del hogar digital

A lo largo de las últimas décadas el desarrollo de la tecnología en muy distintas áreas ha sido vertiginoso. Su propagación a todos los aspectos de nuestro día a día parece casi inevitable y la electrónica de consumo ha invadido nuestros hogares. No obstante, parece que la domótica no ha alcanzado el grado de integración que cabía esperar hace apenas una década. Es cierto que los dispositivos autónomos y con un cierto grado de inteligencia están abriéndose paso de manera independiente, pero el hogar digital, como sistema capaz de abarcar y automatizar grandes conjuntos de elementos de una vivienda (gestión energética, seguridad, bienestar, etc.) no ha conseguido extenderse al hogar medio. Esta falta de integración no se debe a la ausencia de tecnología, ni mucho menos, y numerosos son los estudios y proyectos surgidos en esta dirección. Sin embargo, no ha sido hasta hace unos pocos años que las instituciones y grandes compañías han comenzado a prestar verdadero interés en este campo. Parece que estamos a punto de experimentar un nuevo cambio en nuestra forma de vida, concretamente en la manera en la que interactuamos con nuestro hogar y las comodidades e información que este nos puede proporcionar. En esa corriente se desarrolla este Proyecto Fin de Grado, con el objetivo de aportar un nuevo enfoque a la manera de integrar los diferentes dispositivos del hogar digital con la inteligencia artificial y, lo que es más importante, al modo en el que el usuario interactúa con su vivienda. Más concretamente, se pretende desarrollar un sistema capaz de tomar decisiones acordes al contexto y a las preferencias del usuario. A través de la utilización de diferentes tecnologías se dotará al hogar digital de cierta autonomía a la hora de decidir qué acciones debe llevar a cabo sobre los dispositivos que contiene, todo ello mediante la interpretación de órdenes procedentes del usuario (expresadas de manera coloquial) y el estudio del contexto que envuelve al instante de ejecución. Para la interacción entre el usuario y el hogar digital se desarrollará una aplicación móvil mediante la cual podrá expresar (de manera conversacional) las órdenes que quiera dar al sistema, el cual intervendrá en la conversación y llevará a cabo las acciones oportunas. Para todo ello, el sistema hará principalmente uso de ontologías, análisis semántico, redes bayesianas, UPnP y Android. Se combinará información procedente del usuario, de los sensores y de fuentes externas para determinar, a través de las citadas tecnologías, cuál es la operación que debe realizarse para satisfacer las necesidades del usuario. En definitiva, el objetivo final de este proyecto es diseñar e implementar un sistema innovador que se salga de la corriente actual de interacción mediante botones, menús y formularios a los que estamos tan acostumbrados, y que permita al usuario, en cierto modo, hablar con su vivienda y expresarle sus necesidades, haciendo a la tecnología un poco más transparente y cercana y aproximándonos un poco más a ese concepto de hogar inteligente que imaginábamos a finales del siglo XX. ABSTRACT. Over the last decades the development of technology in very different areas has happened incredibly fast. Its propagation to all aspects of our daily activities seems to be inevitable and the electronic devices have invaded our homes. Nevertheless, home automation has not reached the integration point that it was supposed to just a few decades ago. It is true that some autonomic and relatively intelligent devices are emerging, but the digital home as a system able to control a large set of elements from a house (energy management, security, welfare, etc.) is not present yet in the average home. That lack of integration is not due to the absence of technology and, in fact, there are a lot of investigations and projects focused on this field. However, the institutions and big companies have not shown enough interest in home automation until just a few years ago. It seems that, finally, we are about to experiment another change in our lifestyle and how we interact with our home and the information and facilities it can provide. This Final Degree Project is developed as part of this trend, with the goal of providing a new approach to the way the system could integrate the home devices with the artificial intelligence and, mainly, to the way the user interacts with his house. More specifically, this project aims to develop a system able to make decisions, taking into account the context and the user preferences. Through the use of several technologies and approaches, the system will be able to decide which actions it should perform based on the order interpretation (expressed colloquially) and the context analysis. A mobile application will be developed to enable the user-home interaction. The user will be able to express his orders colloquially though out a conversational mode, and the system will also participate in the conversation, performing the required actions. For providing all this features, the system will mainly use ontologies, semantic analysis, Bayesian networks, UPnP and Android. Information from the user, the sensors and external sources will be combined to determine, through the use of these technologies, which is the operation that the system should perform to meet the needs of the user. In short, the final goal of this project is to design and implement an innovative system, away from the current trend of buttons, menus and forms. In a way, the user will be able to talk to his home and express his needs, experiencing a technology closer to the people and getting a little closer to that concept of digital home that we imagined in the late twentieth century.

Predicción espacio-temporal de la irradiancia solar global a corto plazo en España mediante geoestadística y redes neuronales artificiales

El enriquecimiento del conocimiento sobre la Irradiancia Solar (IS) a nivel de superficie terrestre, así como su predicción, cobran gran interés para las Energías Renovables (ER) - Energía Solar (ES)-, y para distintas aplicaciones industriales o ecológicas. En el ámbito de las ER, el uso óptimo de la ES implica contar con datos de la IS en superficie que ayuden tanto, en la selección de emplazamientos para instalaciones de ES, como en su etapa de diseño (dimensionar la producción) y, finalmente, en su explotación. En este último caso, la observación y la predicción es útil para el mercado energético, la planificación y gestión de la energía (generadoras y operadoras del sistema eléctrico), especialmente en los nuevos contextos de las redes inteligentes de transporte. A pesar de la importancia estratégica de contar con datos de la IS, especialmente los observados por sensores de IS en superficie (los que mejor captan esta variable), estos no siempre están disponibles para los lugares de interés ni con la resolución espacial y temporal deseada. Esta limitación se une a la necesidad de disponer de predicciones a corto plazo de la IS que ayuden a la planificación y gestión de la energía. Se ha indagado y caracterizado las Redes de Estaciones Meteorológicas (REM) existentes en España que publican en internet sus observaciones, focalizando en la IS. Se han identificado 24 REM (16 gubernamentales y 8 redes voluntarios) que aglutinan 3492 estaciones, convirtiéndose éstas en las fuentes de datos meteorológicos utilizados en la tesis. Se han investigado cinco técnicas de estimación espacial de la IS en intervalos de 15 minutos para el territorio peninsular (3 técnicas geoestadísticas, una determinística y el método HelioSat2 basado en imágenes satelitales) con distintas configuraciones espaciales. Cuando el área de estudio tiene una adecuada densidad de observaciones, el mejor método identificado para estimar la IS es el Kriging con Regresión usando variables auxiliares -una de ellas la IS estimada a partir de imágenes satelitales-. De este modo es posible estimar espacialmente la IS más allá de los 25 km identificados en la bibliografía. En caso contrario, se corrobora la idoneidad de utilizar estimaciones a partir de sensores remotos cuando la densidad de observaciones no es adecuada. Se ha experimentado con el modelado de Redes Neuronales Artificiales (RNA) para la predicción a corto plazo de la IS utilizando observaciones próximas (componentes espaciales) en sus entradas y, los resultados son prometedores. Así los niveles de errores disminuyen bajo las siguientes condiciones: (1) cuando el horizonte temporal de predicción es inferior o igual a 3 horas, las estaciones vecinas que se incluyen en el modelo deben encentrarse a una distancia máxima aproximada de 55 km. Esto permite concluir que las RNA son capaces de aprender cómo afectan las condiciones meteorológicas vecinas a la predicción de la IS. ABSTRACT ABSTRACT The enrichment of knowledge about the Solar Irradiance (SI) at Earth's surface and its prediction, have a high interest for Renewable Energy (RE) - Solar Energy (SE) - and for various industrial and environmental applications. In the field of the RE, the optimal use of the SE involves having SI surface to help in the selection of sites for facilities ES, in the design stage (sizing energy production), and finally on their production. In the latter case, the observation and prediction is useful for the market, planning and management of the energy (generators and electrical system operators), especially in new contexts of smart transport networks (smartgrid). Despite the strategic importance of SI data, especially those observed by sensors of SI at surface (the ones that best measure this environmental variable), these are not always available to the sights and the spatial and temporal resolution desired. This limitation is bound to the need for short-term predictions of the SI to help planning and energy management. It has been investigated and characterized existing Networks of Weather Stations (NWS) in Spain that share its observations online, focusing on SI. 24 NWS have been identified (16 government and 8 volunteer networks) that implies 3492 stations, turning it into the sources of meteorological data used in the thesis. We have investigated five technical of spatial estimation of SI in 15 minutes to the mainland (3 geostatistical techniques and HelioSat2 a deterministic method based on satellite images) with different spatial configurations. When the study area has an adequate density of observations we identified the best method to estimate the SI is the regression kriging with auxiliary variables (one of them is the SI estimated from satellite images. Thus it is possible to spatially estimate the SI beyond the 25 km identified in the literature. Otherwise, when the density of observations is inadequate the appropriateness is using the estimates values from remote sensing. It has been experimented with Artificial Neural Networks (ANN) modeling for predicting the short-term future of the SI using observations from neighbor’s weather stations (spatial components) in their inputs, and the results are promising. The error levels decrease under the following conditions: (1) when the prediction horizon is less or equal than 3 hours the best models are the ones that include data from the neighboring stations (at a maximum distance of 55 km). It is concluded that the ANN is able to learn how weather conditions affect neighboring prediction of IS at such Spatio-temporal horizons.

Zonificación bioclimática de la moringa (Moringa oleífera Lam.) en la Península Ibérica para producir biocombustibles.

Zonificación bioclimática de la moringa (Moringa oleífera Lam.) en la Península Ibérica para producir biocombustibles.

Advances in technologies and techniques for ambient intelligence

Human activity attracting a lot of research activity in several fields including the use of wireless sensors, positioning technologies and techniques, embedded computing, remote sensing and energy management among others. There are a number of applications where the results of those investigations can be applied, including ambient intelligence to support human activity, particularly the elderly and disabled people. Ambient intelligence is a new paradigm for the information and communications technologies where the electronic/digital environment takes care of the people presence and their needs, becoming an active, adaptive and responsive environment.

Sistema para el análisis del consumo eléctrico y optimización en la contratación del suministro

El presente trabajo se enmarca en el ámbito de la eficiencia energética y contempla la gestión del consumo eléctrico en hogares. Concretamente, para este proyecto fin de grado se propone el desarrollo de un sistema informático que permita el análisis y monitorización del consumo eléctrico y optimización en la contratación del suministro eléctrico en el hogar. El sistema desarrollado permite la monitorización del consumo eléctrico, expresado en kilovatios-hora (kWh), y la monitorización del coste real de dicho consumo, expresado en euros, en función del tipo de tarifa que se tenga contratada en la modalidad del PVPC1 (Precio Voluntario para el Pequeño Consumidor). También se ha desarrollado una interfaz web a través de la cual el usuario tiene acceso a la información y datos del sistema. En dicha web se muestran gráficas de consumo, potencia, voltaje, corriente y coste de la energía por días. Además, se ha dotado al sistema de un generador de alertas que notifica al usuario, vía web y vía correo electrónico, cuando el consumo sobrepasa los límites fijados por él mismo. El usuario, por tanto, podrá definir los valores de alerta de sobreconsumo y visualizar tanto un histórico de las alertas generadas en el pasado como las alertas activas en ese momento. Las alertas se muestran en la gráfica correspondiente dentro de la aplicación web. Por último, se dispone de la opción de exportar las gráficas que son visualizadas en la aplicación web en formato PNG, JPEG, PDF y SVG, además de la posibilidad de imprimirla.---ABSTRACT---This project belongs to the Energy Efficiency field and is aimed at home energy management. Specifically, for this thesis the development of a computer system that allows monitoring and analysis of energy consumption and contracted power optimization is proposed. The developed system allows energy consumption management within households (expressed in kilowatts per hour, kWh) and real cost monitoring (in euros) according to the contract tariff. A web interface has been developed in order to provide the user with power consumption information and control energy tools. In this web application, electric consumption, power, voltage, current and energy cost by day are shown. Besides, an alert generation system has been implemented so that the user can define maximum power consumption values and be informed through email or web when these values are exceeded. The user will be able to check older power alerts as well as the currently active ones. These alerts are shown in a specific graph within the web application. Finally, the user generated graphs can be exported from the web using PNG, JPEG, PDF or SVG image formats as well as be printed from the web.

Run-Time Dynamically-Adaptable FPGA-Based Architecture for High-Performance Autonomous Distributed Systems

Esta tesis doctoral se enmarca dentro del campo de los sistemas embebidos reconfigurables, redes de sensores inalámbricas para aplicaciones de altas prestaciones, y computación distribuida. El documento se centra en el estudio de alternativas de procesamiento para sistemas embebidos autónomos distribuidos de altas prestaciones (por sus siglas en inglés, High-Performance Autonomous Distributed Systems (HPADS)), así como su evolución hacia el procesamiento de alta resolución. El estudio se ha llevado a cabo tanto a nivel de plataforma como a nivel de las arquitecturas de procesamiento dentro de la plataforma con el objetivo de optimizar aspectos tan relevantes como la eficiencia energética, la capacidad de cómputo y la tolerancia a fallos del sistema. Los HPADS son sistemas realimentados, normalmente formados por elementos distribuidos conectados o no en red, con cierta capacidad de adaptación, y con inteligencia suficiente para llevar a cabo labores de prognosis y/o autoevaluación. Esta clase de sistemas suele formar parte de sistemas más complejos llamados sistemas ciber-físicos (por sus siglas en inglés, Cyber-Physical Systems (CPSs)). Los CPSs cubren un espectro enorme de aplicaciones, yendo desde aplicaciones médicas, fabricación, o aplicaciones aeroespaciales, entre otras muchas. Para el diseño de este tipo de sistemas, aspectos tales como la confiabilidad, la definición de modelos de computación, o el uso de metodologías y/o herramientas que faciliten el incremento de la escalabilidad y de la gestión de la complejidad, son fundamentales. La primera parte de esta tesis doctoral se centra en el estudio de aquellas plataformas existentes en el estado del arte que por sus características pueden ser aplicables en el campo de los CPSs, así como en la propuesta de un nuevo diseño de plataforma de altas prestaciones que se ajuste mejor a los nuevos y más exigentes requisitos de las nuevas aplicaciones. Esta primera parte incluye descripción, implementación y validación de la plataforma propuesta, así como conclusiones sobre su usabilidad y sus limitaciones. Los principales objetivos para el diseño de la plataforma propuesta se enumeran a continuación: • Estudiar la viabilidad del uso de una FPGA basada en RAM como principal procesador de la plataforma en cuanto a consumo energético y capacidad de cómputo. • Propuesta de técnicas de gestión del consumo de energía en cada etapa del perfil de trabajo de la plataforma. •Propuestas para la inclusión de reconfiguración dinámica y parcial de la FPGA (por sus siglas en inglés, Dynamic Partial Reconfiguration (DPR)) de forma que sea posible cambiar ciertas partes del sistema en tiempo de ejecución y sin necesidad de interrumpir al resto de las partes. Evaluar su aplicabilidad en el caso de HPADS. Las nuevas aplicaciones y nuevos escenarios a los que se enfrentan los CPSs, imponen nuevos requisitos en cuanto al ancho de banda necesario para el procesamiento de los datos, así como en la adquisición y comunicación de los mismos, además de un claro incremento en la complejidad de los algoritmos empleados. Para poder cumplir con estos nuevos requisitos, las plataformas están migrando desde sistemas tradicionales uni-procesador de 8 bits, a sistemas híbridos hardware-software que incluyen varios procesadores, o varios procesadores y lógica programable. Entre estas nuevas arquitecturas, las FPGAs y los sistemas en chip (por sus siglas en inglés, System on Chip (SoC)) que incluyen procesadores embebidos y lógica programable, proporcionan soluciones con muy buenos resultados en cuanto a consumo energético, precio, capacidad de cómputo y flexibilidad. Estos buenos resultados son aún mejores cuando las aplicaciones tienen altos requisitos de cómputo y cuando las condiciones de trabajo son muy susceptibles de cambiar en tiempo real. La plataforma propuesta en esta tesis doctoral se ha denominado HiReCookie. La arquitectura incluye una FPGA basada en RAM como único procesador, así como un diseño compatible con la plataforma para redes de sensores inalámbricas desarrollada en el Centro de Electrónica Industrial de la Universidad Politécnica de Madrid (CEI-UPM) conocida como Cookies. Esta FPGA, modelo Spartan-6 LX150, era, en el momento de inicio de este trabajo, la mejor opción en cuanto a consumo y cantidad de recursos integrados, cuando además, permite el uso de reconfiguración dinámica y parcial. Es importante resaltar que aunque los valores de consumo son los mínimos para esta familia de componentes, la potencia instantánea consumida sigue siendo muy alta para aquellos sistemas que han de trabajar distribuidos, de forma autónoma, y en la mayoría de los casos alimentados por baterías. Por esta razón, es necesario incluir en el diseño estrategias de ahorro energético para incrementar la usabilidad y el tiempo de vida de la plataforma. La primera estrategia implementada consiste en dividir la plataforma en distintas islas de alimentación de forma que sólo aquellos elementos que sean estrictamente necesarios permanecerán alimentados, cuando el resto puede estar completamente apagado. De esta forma es posible combinar distintos modos de operación y así optimizar enormemente el consumo de energía. El hecho de apagar la FPGA para ahora energía durante los periodos de inactividad, supone la pérdida de la configuración, puesto que la memoria de configuración es una memoria volátil. Para reducir el impacto en el consumo y en el tiempo que supone la reconfiguración total de la plataforma una vez encendida, en este trabajo, se incluye una técnica para la compresión del archivo de configuración de la FPGA, de forma que se consiga una reducción del tiempo de configuración y por ende de la energía consumida. Aunque varios de los requisitos de diseño pueden satisfacerse con el diseño de la plataforma HiReCookie, es necesario seguir optimizando diversos parámetros tales como el consumo energético, la tolerancia a fallos y la capacidad de procesamiento. Esto sólo es posible explotando todas las posibilidades ofrecidas por la arquitectura de procesamiento en la FPGA. Por lo tanto, la segunda parte de esta tesis doctoral está centrada en el diseño de una arquitectura reconfigurable denominada ARTICo3 (Arquitectura Reconfigurable para el Tratamiento Inteligente de Cómputo, Confiabilidad y Consumo de energía) para la mejora de estos parámetros por medio de un uso dinámico de recursos. ARTICo3 es una arquitectura de procesamiento para FPGAs basadas en RAM, con comunicación tipo bus, preparada para dar soporte para la gestión dinámica de los recursos internos de la FPGA en tiempo de ejecución gracias a la inclusión de reconfiguración dinámica y parcial. Gracias a esta capacidad de reconfiguración parcial, es posible adaptar los niveles de capacidad de procesamiento, energía consumida o tolerancia a fallos para responder a las demandas de la aplicación, entorno, o métricas internas del dispositivo mediante la adaptación del número de recursos asignados para cada tarea. Durante esta segunda parte de la tesis se detallan el diseño de la arquitectura, su implementación en la plataforma HiReCookie, así como en otra familia de FPGAs, y su validación por medio de diferentes pruebas y demostraciones. Los principales objetivos que se plantean la arquitectura son los siguientes: • Proponer una metodología basada en un enfoque multi-hilo, como las propuestas por CUDA (por sus siglas en inglés, Compute Unified Device Architecture) u Open CL, en la cual distintos kernels, o unidades de ejecución, se ejecuten en un numero variable de aceleradores hardware sin necesidad de cambios en el código de aplicación. • Proponer un diseño y proporcionar una arquitectura en la que las condiciones de trabajo cambien de forma dinámica dependiendo bien de parámetros externos o bien de parámetros que indiquen el estado de la plataforma. Estos cambios en el punto de trabajo de la arquitectura serán posibles gracias a la reconfiguración dinámica y parcial de aceleradores hardware en tiempo real. • Explotar las posibilidades de procesamiento concurrente, incluso en una arquitectura basada en bus, por medio de la optimización de las transacciones en ráfaga de datos hacia los aceleradores. •Aprovechar las ventajas ofrecidas por la aceleración lograda por módulos puramente hardware para conseguir una mejor eficiencia energética. • Ser capaces de cambiar los niveles de redundancia de hardware de forma dinámica según las necesidades del sistema en tiempo real y sin cambios para el código de aplicación. • Proponer una capa de abstracción entre el código de aplicación y el uso dinámico de los recursos de la FPGA. El diseño en FPGAs permite la utilización de módulos hardware específicamente creados para una aplicación concreta. De esta forma es posible obtener rendimientos mucho mayores que en el caso de las arquitecturas de propósito general. Además, algunas FPGAs permiten la reconfiguración dinámica y parcial de ciertas partes de su lógica en tiempo de ejecución, lo cual dota al diseño de una gran flexibilidad. Los fabricantes de FPGAs ofrecen arquitecturas predefinidas con la posibilidad de añadir bloques prediseñados y poder formar sistemas en chip de una forma más o menos directa. Sin embargo, la forma en la que estos módulos hardware están organizados dentro de la arquitectura interna ya sea estática o dinámicamente, o la forma en la que la información se intercambia entre ellos, influye enormemente en la capacidad de cómputo y eficiencia energética del sistema. De la misma forma, la capacidad de cargar módulos hardware bajo demanda, permite añadir bloques redundantes que permitan aumentar el nivel de tolerancia a fallos de los sistemas. Sin embargo, la complejidad ligada al diseño de bloques hardware dedicados no debe ser subestimada. Es necesario tener en cuenta que el diseño de un bloque hardware no es sólo su propio diseño, sino también el diseño de sus interfaces, y en algunos casos de los drivers software para su manejo. Además, al añadir más bloques, el espacio de diseño se hace más complejo, y su programación más difícil. Aunque la mayoría de los fabricantes ofrecen interfaces predefinidas, IPs (por sus siglas en inglés, Intelectual Property) comerciales y plantillas para ayudar al diseño de los sistemas, para ser capaces de explotar las posibilidades reales del sistema, es necesario construir arquitecturas sobre las ya establecidas para facilitar el uso del paralelismo, la redundancia, y proporcionar un entorno que soporte la gestión dinámica de los recursos. Para proporcionar este tipo de soporte, ARTICo3 trabaja con un espacio de soluciones formado por tres ejes fundamentales: computación, consumo energético y confiabilidad. De esta forma, cada punto de trabajo se obtiene como una solución de compromiso entre estos tres parámetros. Mediante el uso de la reconfiguración dinámica y parcial y una mejora en la transmisión de los datos entre la memoria principal y los aceleradores, es posible dedicar un número variable de recursos en el tiempo para cada tarea, lo que hace que los recursos internos de la FPGA sean virtualmente ilimitados. Este variación en el tiempo del número de recursos por tarea se puede usar bien para incrementar el nivel de paralelismo, y por ende de aceleración, o bien para aumentar la redundancia, y por lo tanto el nivel de tolerancia a fallos. Al mismo tiempo, usar un numero óptimo de recursos para una tarea mejora el consumo energético ya que bien es posible disminuir la potencia instantánea consumida, o bien el tiempo de procesamiento. Con el objetivo de mantener los niveles de complejidad dentro de unos límites lógicos, es importante que los cambios realizados en el hardware sean totalmente transparentes para el código de aplicación. A este respecto, se incluyen distintos niveles de transparencia: • Transparencia a la escalabilidad: los recursos usados por una misma tarea pueden ser modificados sin que el código de aplicación sufra ningún cambio. • Transparencia al rendimiento: el sistema aumentara su rendimiento cuando la carga de trabajo aumente, sin cambios en el código de aplicación. • Transparencia a la replicación: es posible usar múltiples instancias de un mismo módulo bien para añadir redundancia o bien para incrementar la capacidad de procesamiento. Todo ello sin que el código de aplicación cambie. • Transparencia a la posición: la posición física de los módulos hardware es arbitraria para su direccionamiento desde el código de aplicación. • Transparencia a los fallos: si existe un fallo en un módulo hardware, gracias a la redundancia, el código de aplicación tomará directamente el resultado correcto. • Transparencia a la concurrencia: el hecho de que una tarea sea realizada por más o menos bloques es transparente para el código que la invoca. Por lo tanto, esta tesis doctoral contribuye en dos líneas diferentes. En primer lugar, con el diseño de la plataforma HiReCookie y en segundo lugar con el diseño de la arquitectura ARTICo3. Las principales contribuciones de esta tesis se resumen a continuación. • Arquitectura de la HiReCookie incluyendo: o Compatibilidad con la plataforma Cookies para incrementar las capacidades de esta. o División de la arquitectura en distintas islas de alimentación. o Implementación de los diversos modos de bajo consumo y políticas de despertado del nodo. o Creación de un archivo de configuración de la FPGA comprimido para reducir el tiempo y el consumo de la configuración inicial. • Diseño de la arquitectura reconfigurable para FPGAs basadas en RAM ARTICo3: o Modelo de computación y modos de ejecución inspirados en el modelo de CUDA pero basados en hardware reconfigurable con un número variable de bloques de hilos por cada unidad de ejecución. o Estructura para optimizar las transacciones de datos en ráfaga proporcionando datos en cascada o en paralelo a los distinto módulos incluyendo un proceso de votado por mayoría y operaciones de reducción. o Capa de abstracción entre el procesador principal que incluye el código de aplicación y los recursos asignados para las diferentes tareas. o Arquitectura de los módulos hardware reconfigurables para mantener la escalabilidad añadiendo una la interfaz para las nuevas funcionalidades con un simple acceso a una memoria RAM interna. o Caracterización online de las tareas para proporcionar información a un módulo de gestión de recursos para mejorar la operación en términos de energía y procesamiento cuando además se opera entre distintos nieles de tolerancia a fallos. El documento está dividido en dos partes principales formando un total de cinco capítulos. En primer lugar, después de motivar la necesidad de nuevas plataformas para cubrir las nuevas aplicaciones, se detalla el diseño de la plataforma HiReCookie, sus partes, las posibilidades para bajar el consumo energético y se muestran casos de uso de la plataforma así como pruebas de validación del diseño. La segunda parte del documento describe la arquitectura reconfigurable, su implementación en varias FPGAs, y pruebas de validación en términos de capacidad de procesamiento y consumo energético, incluyendo cómo estos aspectos se ven afectados por el nivel de tolerancia a fallos elegido. Los capítulos a lo largo del documento son los siguientes: El capítulo 1 analiza los principales objetivos, motivación y aspectos teóricos necesarios para seguir el resto del documento. El capítulo 2 está centrado en el diseño de la plataforma HiReCookie y sus posibilidades para disminuir el consumo de energía. El capítulo 3 describe la arquitectura reconfigurable ARTICo3. El capítulo 4 se centra en las pruebas de validación de la arquitectura usando la plataforma HiReCookie para la mayoría de los tests. Un ejemplo de aplicación es mostrado para analizar el funcionamiento de la arquitectura. El capítulo 5 concluye esta tesis doctoral comentando las conclusiones obtenidas, las contribuciones originales del trabajo y resultados y líneas futuras. ABSTRACT This PhD Thesis is framed within the field of dynamically reconfigurable embedded systems, advanced sensor networks and distributed computing. The document is centred on the study of processing solutions for high-performance autonomous distributed systems (HPADS) as well as their evolution towards High performance Computing (HPC) systems. The approach of the study is focused on both platform and processor levels to optimise critical aspects such as computing performance, energy efficiency and fault tolerance. HPADS are considered feedback systems, normally networked and/or distributed, with real-time adaptive and predictive functionality. These systems, as part of more complex systems known as Cyber-Physical Systems (CPSs), can be applied in a wide range of fields such as military, health care, manufacturing, aerospace, etc. For the design of HPADS, high levels of dependability, the definition of suitable models of computation, and the use of methodologies and tools to support scalability and complexity management, are required. The first part of the document studies the different possibilities at platform design level in the state of the art, together with description, development and validation tests of the platform proposed in this work to cope with the previously mentioned requirements. The main objectives targeted by this platform design are the following: • Study the feasibility of using SRAM-based FPGAs as the main processor of the platform in terms of energy consumption and performance for high demanding applications. • Analyse and propose energy management techniques to reduce energy consumption in every stage of the working profile of the platform. • Provide a solution with dynamic partial and wireless remote HW reconfiguration (DPR) to be able to change certain parts of the FPGA design at run time and on demand without interrupting the rest of the system. • Demonstrate the applicability of the platform in different test-bench applications. In order to select the best approach for the platform design in terms of processing alternatives, a study of the evolution of the state-of-the-art platforms is required to analyse how different architectures cope with new more demanding applications and scenarios: security, mixed-critical systems for aerospace, multimedia applications, or military environments, among others. In all these scenarios, important changes in the required processing bandwidth or the complexity of the algorithms used are provoking the migration of the platforms from single microprocessor architectures to multiprocessing and heterogeneous solutions with more instant power consumption but higher energy efficiency. Within these solutions, FPGAs and Systems on Chip including FPGA fabric and dedicated hard processors, offer a good trade of among flexibility, processing performance, energy consumption and price, when they are used in demanding applications where working conditions are very likely to vary over time and high complex algorithms are required. The platform architecture proposed in this PhD Thesis is called HiReCookie. It includes an SRAM-based FPGA as the main and only processing unit. The FPGA selected, the Xilinx Spartan-6 LX150, was at the beginning of this work the best choice in terms of amount of resources and power. Although, the power levels are the lowest of these kind of devices, they can be still very high for distributed systems that normally work powered by batteries. For that reason, it is necessary to include different energy saving possibilities to increase the usability of the platform. In order to reduce energy consumption, the platform architecture is divided into different power islands so that only those parts of the systems that are strictly needed are powered on, while the rest of the islands can be completely switched off. This allows a combination of different low power modes to decrease energy. In addition, one of the most important handicaps of SRAM-based FPGAs is that they are not alive at power up. Therefore, recovering the system from a switch-off state requires to reload the FPGA configuration from a non-volatile memory device. For that reason, this PhD Thesis also proposes a methodology to compress the FPGA configuration file in order to reduce time and energy during the initial configuration process. Although some of the requirements for the design of HPADS are already covered by the design of the HiReCookie platform, it is necessary to continue improving energy efficiency, computing performance and fault tolerance. This is only possible by exploiting all the opportunities provided by the processing architectures configured inside the FPGA. Therefore, the second part of the thesis details the design of the so called ARTICo3 FPGA architecture to enhance the already intrinsic capabilities of the FPGA. ARTICo3 is a DPR-capable bus-based virtual architecture for multiple HW acceleration in SRAM-based FPGAs. The architecture provides support for dynamic resource management in real time. In this way, by using DPR, it will be possible to change the levels of computing performance, energy consumption and fault tolerance on demand by increasing or decreasing the amount of resources used by the different tasks. Apart from the detailed design of the architecture and its implementation in different FPGA devices, different validation tests and comparisons are also shown. The main objectives targeted by this FPGA architecture are listed as follows: • Provide a method based on a multithread approach such as those offered by CUDA (Compute Unified Device Architecture) or OpenCL kernel executions, where kernels are executed in a variable number of HW accelerators without requiring application code changes. • Provide an architecture to dynamically adapt working points according to either self-measured or external parameters in terms of energy consumption, fault tolerance and computing performance. Taking advantage of DPR capabilities, the architecture must provide support for a dynamic use of resources in real time. • Exploit concurrent processing capabilities in a standard bus-based system by optimizing data transactions to and from HW accelerators. • Measure the advantage of HW acceleration as a technique to boost performance to improve processing times and save energy by reducing active times for distributed embedded systems. • Dynamically change the levels of HW redundancy to adapt fault tolerance in real time. • Provide HW abstraction from SW application design. FPGAs give the possibility of designing specific HW blocks for every required task to optimise performance while some of them include the possibility of including DPR. Apart from the possibilities provided by manufacturers, the way these HW modules are organised, addressed and multiplexed in area and time can improve computing performance and energy consumption. At the same time, fault tolerance and security techniques can also be dynamically included using DPR. However, the inherent complexity of designing new HW modules for every application is not negligible. It does not only consist of the HW description, but also the design of drivers and interfaces with the rest of the system, while the design space is widened and more complex to define and program. Even though the tools provided by the majority of manufacturers already include predefined bus interfaces, commercial IPs, and templates to ease application prototyping, it is necessary to improve these capabilities. By adding new architectures on top of them, it is possible to take advantage of parallelization and HW redundancy while providing a framework to ease the use of dynamic resource management. ARTICo3 works within a solution space where working points change at run time in a 3D space defined by three different axes: Computation, Consumption, and Fault Tolerance. Therefore, every working point is found as a trade-off solution among these three axes. By means of DPR, different accelerators can be multiplexed so that the amount of available resources for any application is virtually unlimited. Taking advantage of DPR capabilities and a novel way of transmitting data to the reconfigurable HW accelerators, it is possible to dedicate a dynamically-changing number of resources for a given task in order to either boost computing speed or adding HW redundancy and a voting process to increase fault-tolerance levels. At the same time, using an optimised amount of resources for a given task reduces energy consumption by reducing instant power or computing time. In order to keep level complexity under certain limits, it is important that HW changes are transparent for the application code. Therefore, different levels of transparency are targeted by the system: • Scalability transparency: a task must be able to expand its resources without changing the system structure or application algorithms. • Performance transparency: the system must reconfigure itself as load changes. • Replication transparency: multiple instances of the same task are loaded to increase reliability and performance. • Location transparency: resources are accessed with no knowledge of their location by the application code. • Failure transparency: task must be completed despite a failure in some components. • Concurrency transparency: different tasks will work in a concurrent way transparent to the application code. Therefore, as it can be seen, the Thesis is contributing in two different ways. First with the design of the HiReCookie platform and, second with the design of the ARTICo3 architecture. The main contributions of this PhD Thesis are then listed below: • Architecture of the HiReCookie platform including: o Compatibility of the processing layer for high performance applications with the Cookies Wireless Sensor Network platform for fast prototyping and implementation. o A division of the architecture in power islands. o All the different low-power modes. o The creation of the partial-initial bitstream together with the wake-up policies of the node. • The design of the reconfigurable architecture for SRAM FPGAs: ARTICo3: o A model of computation and execution modes inspired in CUDA but based on reconfigurable HW with a dynamic number of thread blocks per kernel. o A structure to optimise burst data transactions providing coalesced or parallel data to HW accelerators, parallel voting process and reduction operation. o The abstraction provided to the host processor with respect to the operation of the kernels in terms of the number of replicas, modes of operation, location in the reconfigurable area and addressing. o The architecture of the modules representing the thread blocks to make the system scalable by adding functional units only adding an access to a BRAM port. o The online characterization of the kernels to provide information to a scheduler or resource manager in terms of energy consumption and processing time when changing among different fault-tolerance levels, as well as if a kernel is expected to work in the memory-bounded or computing-bounded areas. The document of the Thesis is divided into two main parts with a total of five chapters. First, after motivating the need for new platforms to cover new more demanding applications, the design of the HiReCookie platform, its parts and several partial tests are detailed. The design of the platform alone does not cover all the needs of these applications. Therefore, the second part describes the architecture inside the FPGA, called ARTICo3, proposed in this PhD Thesis. The architecture and its implementation are tested in terms of energy consumption and computing performance showing different possibilities to improve fault tolerance and how this impact in energy and time of processing. Chapter 1 shows the main goals of this PhD Thesis and the technology background required to follow the rest of the document. Chapter 2 shows all the details about the design of the FPGA-based platform HiReCookie. Chapter 3 describes the ARTICo3 architecture. Chapter 4 is focused on the validation tests of the ARTICo3 architecture. An application for proof of concept is explained where typical kernels related to image processing and encryption algorithms are used. Further experimental analyses are performed using these kernels. Chapter 5 concludes the document analysing conclusions, comments about the contributions of the work, and some possible future lines for the work.

Criterios de selección de tecnologías sostenibles de generación de energía para el riego en invernaderos

Esta tesis desarrolla una metodología para comparar la viabilidad económica de distintas tecnologías de suministro energético para el bombeo de agua de riego en invernaderos tanto en España, Cuba o Pakistán (países con diferentes estados de desarrollo). En concreto, se analiza el bombeo directo eólico, el bombeo solar fotovoltaico, el bombeo con generadores diesel, y mediante conexión a la red eléctrica. El análisis tuvo en cuenta los recursos eólicos y solar, la altura de elevación, el tamaño de invernadero, la distancia al punto de conexión a la red, las necesidades de almacenamiento de agua y las fechas de siembra. Las comparaciones se realizaron usando un criterio técnico-económico basado en el coste normalizado de la energía de cada tecnología. En los tres países, el bombeo directo eólico no sería económicamente recomendable, en el caso de existir una conexión a la red. Allí donde no existe conexión a la red, la distancia a la red y los recursos eólico y solar disponibles son los factores clave a tener en cuenta a la hora de decidir entre las diferentes tecnologías. Por otro lado, la altura del bombeo del agua tiene una gran influencia sobre la viabilidad económica del bombeo directo eólico, mucho más que, por ejemplo, en el caso del bombeo solar fotovoltaico. En general, los resultados revelan que los factores críticos a tener en cuenta a la hora de elegir la solución energética óptima son diferentes en cada uno de los países. En el caso de España, la proximidad a los puntos de conexión de la red eléctrica determina que ésta sea la mejor opción. El limitado potencial eólico es el factor limitante en Pakistán. En Cuba, la altura del bombeo, la distancia al punto de conexión de la red eléctrica y el almacenamiento de agua necesario son los factores críticos para determinar la tecnología más apropiada para el bombeo al disponer de buenos recursos solar y eólico. ABSTRACT This thesis develops a methodology for comparing the economic feasibility of wind pump technology, solar photovoltaic pumping, diesel generators, and connection to the electrical grid to provide energy for pumping irrigation water in commercial greenhouses in Spain, Cuba and Pakistan (countries with different developmental backgrounds). The analysis studied the importance of the wind and solar resource, the water elevation, the greenhouse size, the distance to the grid, the pumping elevation, the water storage tank volume requirements, and the planting dates. Comparisons were made in terms of the levelised cost of energy associated with each technology. For all three countries, if a grid connection was already in place, installing wind pumps would be economically unwise. Where no grid connection exists, the distance to the grid and the wind and solar resources available are key factors to be taken into consideration when deciding between options. Finally, the water elevation has a major influence on the economic feasibility of wind pump technology, much more than, for example, on solar photovoltaic pumping technology. The results reveal that, generally, the critical factors to consider when making energy management decisions differ depending between countries. In Spain, the proximity of the electrical grid makes the connection to it the best option. In Pakistan, scarce wind resources are a serious limiting factor. Cuba, however, has good wind and solar resources; water elevation, distance to the grid, and water storage needed are the critical factors when determining the economic feasibility of wind pumping.

Modeling and validation of the thermal behavior of buildings for the development of demand response methods

The representation of the thermal behaviour of the building is achieved through a relatively simple dynamic model that takes into account the effects due to the thermal mass of the building components. The model of a intra-floor apartment has been built in the Matlab-Simulink environment and considers the heat transmission through the external envelope, wall and windows, the internal thermal masses, (i.e. furniture, internal wall and floor slabs) and the sun gain due to opaque and see-through surfaces of the external envelope. The simulations results for the entire year have been compared and the model validated, with the one obtained with the dynamic building simulation software Energyplus.

Feasibility study of a system of staggered industry hours /

"PB-261 983."