PUE attack detection in CWSNs using anomaly detection techniques

Cognitive wireless sensor network (CWSN) is a new paradigm, integrating cognitive features in traditional wireless sensor networks (WSNs) to mitigate important problems such as spectrum occupancy. Security in cognitive wireless sensor networks is an important problem since these kinds of networks manage critical applications and data. The specific constraints of WSN make the problem even more critical, and effective solutions have not yet been implemented. Primary user emulation (PUE) attack is the most studied specific attack deriving from new cognitive features. This work discusses a new approach, based on anomaly behavior detection and collaboration, to detect the primary user emulation attack in CWSN scenarios. Two non-parametric algorithms, suitable for low-resource networks like CWSNs, have been used in this work: the cumulative sum and data clustering algorithms. The comparison is based on some characteristics such as detection delay, learning time, scalability, resources, and scenario dependency. The algorithms have been tested using a cognitive simulator that provides important results in this area. Both algorithms have shown to be valid in order to detect PUE attacks, reaching a detection rate of 99% and less than 1% of false positives using collaboration.

PUE attack detection in CWSN using collaboration and learning behavior

Cognitive Wireless Sensor Network (CWSN) is a new paradigm which integrates cognitive features in traditional Wireless Sensor Networks (WSNs) to mitigate important problems such as spectrum occupancy. Security in Cognitive Wireless Sensor Networks is an important problem because these kinds of networks manage critical applications and data. Moreover, the specific constraints of WSN make the problem even more critical. However, effective solutions have not been implemented yet. Among the specific attacks derived from new cognitive features, the one most studied is the Primary User Emulation (PUE) attack. This paper discusses a new approach, based on anomaly behavior detection and collaboration, to detect the PUE attack in CWSN scenarios. A nonparametric CUSUM algorithm, suitable for low resource networks like CWSN, has been used in this work. The algorithm has been tested using a cognitive simulator that brings important results in this area. For example, the result shows that the number of collaborative nodes is the most important parameter in order to improve the PUE attack detection rates. If the 20% of the nodes collaborates, the PUE detection reaches the 98% with less than 1% of false positives.

Sistema de selección automática de soluciones tecnológicas de seguridad

Desde la aparición de Internet, hace ya más de 20 años ha existido por parte de diversos sectores de la sociedad, científicos, empresas, usuarios, etc. la inquietud por la aplicación de esta tecnología a lo que se ha dado en llamar “El Internet de las Cosas”, que no es más que el control a distancia de cualquier elemento útil o necesario para la vida cotidiana y la industria. Sin embargo el desarrollo masivo de aplicaciones orientadas a esto, no ha evolucionado hasta que no se han producido avances importantes en dos campos: por un lado, en las Redes Inalámbricas de Sensores (WSN), redes compuestas por un conjunto de pequeños dispositivos capaces de transmitir la información que recogen, haciéndola llegar desde su propia red inalámbrica, a otras de amplia cobertura y por otro con la miniaturización cada vez mayor de dispositivos capaces de tener una autonomía suficiente como para procesar datos e interconectarse entre sí. Al igual que en las redes de ordenadores convencionales, las WSN se pueden ver comprometidas en lo que a seguridad se refiere, ya que la masiva implementación de estas redes hará que millones de Terabytes de datos, muchas veces comprometidos o sometidos a estrictas Leyes de protección de los mismos, circulen en la sociedad de la información, de forma que lo que nace como una ventaja muy interesante para sus usuarios, puede convertirse en una pesadilla debido a la amenaza constante hacia los servicios mínimos de seguridad que las compañías desarrolladoras han de garantizar a los usuarios de sus aplicaciones. Éstas, y con el objetivo de proveer un ámbito de seguridad mínimo, deben de realizar un minucioso estudio de la aplicación en particular que se quiere ofrecer con una WSN y también de las características específicas de la red ya que, al estar formadas por dispositivos prácticamente diminutos, pueden tener ciertas limitaciones en cuanto al tamaño de la batería, capacidad de procesamiento, memoria, etc. El presente proyecto desarrolla una aplicación, única, ya que en la actualidad no existe un software con similares características y que aporta un avance importante en dos campos principalmente: por un lado ayudará a los usuarios que deseen desplegar una aplicación en una red WSN a determinar de forma automática cuales son los mecanismos y servicios específicos de seguridad que se han de implementar en dicha red para esa aplicación concreta y, por otro lado proporcionará un apoyo extra a expertos de seguridad que estén investigando en la materia ya que, servirá de plataforma de pruebas para centralizar la información sobre seguridad que se tengan en ese momento en una base de conocimientos única, proporcionando también un método útil de prueba para posibles escenarios virtuales. ABSTRACT. It has been more than 20 years since the Internet appeared and with it, scientists, companies, users, etc. have been wanted to apply this technology to their environment which means to control remotely devices, which are useful for the industry or aspects of the daily life. However, the huge development of these applications oriented to that use, has not evolve till some important researches has been occurred in two fields: on one hand, the field of the Wireless Sensor Networks (WSN) which are networks composed of little devices that are able to transmit the information that they gather making it to pass through from their wireless network to other wider networks and on the other hand with the increase of the miniaturization of the devices which are able to work in autonomous mode so that to process data and connect to each other. WSN could be compromised in the matter of security as well as the conventional computer networks, due to the massive implementation of this kind of networks will cause that millions of Terabytes of data will be going around in the information society, thus what it is thought at first as an interesting advantage for people, could turn to be a nightmare because of the continuous threat to the minimal security services that developing companies must guarantee their applications users. These companies, and with the aim to provide a minimal security realm, they have to do a strict research about the application that they want to implement in one WSN and the specific characteristics of the network as they are made by tiny devices so that they could have certain limitations related to the battery, throughput, memory, etc. This project develops a unique application since, nowadays, there is not any software with similar characteristics and it will be really helpful in mainly two areas: on one side, it will help users who want to deploy an application in one WSN to determine in an automatically way, which ones security services and mechanisms are those which is necessary to implement in that network for the concrete application and, on the other side, it will provide an extra help for the security experts who are researching in wireless sensor network security so that ti will an exceptional platform in order to centralize information about security in the Wireless Sensor Networks in an exclusive knowledge base, providing at the same time a useful method to test virtual scenarios.

Correlación de medidas de diversos sistemas de sensores inalámbricos a través del uso de smartphone

Este Proyecto Fin de Grado se centra en la definición de unos interfaces y el desarrollo de unos módulos que los ofrezcan y que permitan desarrollar un sistema para Smartphone mediante el que se puedan obtener medidas tanto de dispositivos biométricos como de una red inalámbrica de sensores (WSN – Wireless Sensor Network). Estos dos tipos de medidas deben poder ser mostradas de manera que se observe gráficamente su correlación espacio-temporal. Por tanto, estos interfaces ofrecen, principalmente, la posibilidad de gestionar un número indeterminado de dispositivos biométricos y tomar medidas de ellos, además de mecanismos de almacenamiento para dichas medidas. También existe la posibilidad de crear una representación gráfica de dichas medidas. Por último, se desarrolla un interfaz para obtener información proveniente de una red de sensores inalámbricos instalada en un determinado entorno en el cual el usuario estará realizando sus propias medidas. Además, se lleva a cabo la creación de la aplicación comentada, que hace uso de las interfaces especificadas, para realizar la correlación de las medidas. La aplicación permite al usuario mantener una lista de dispositivos, pudiendo consultar los parámetros de configuración de los mismos y tomar las medidas de aquellos que desee. Podrá visualizar en todo momento las medidas que se van realizando, y, por último, podrá representarlas gráficamente en pantalla. Los interfaces están creados de forma que sean flexibles de modo que puedan añadirse nuevas funciones en un futuro y permitan ser utilizados para diferentes aplicaciones. Los módulos que ofrecen estos interfaces están desarrollados para cumplir todas las funcionalidades que esperamos llevar a cabo en la aplicación creada. ABSTRACT. This Final Degree Project is focused on the definition of a set of interfaces, together with the implementation of the modules that comply with them, with the aim of creating a smartphone-based system to obtain measurements from both biometric devices and a wireless sensor network (WSN). These two types of measurements have to be graphically shown in order to observe their spatial and temporal correlation. Thus, the main purpose of the aforementioned interfaces is to manage an indeterminate number of biometric devices in order to obtain and store the measurements provided by them. There is also the possibility of creating a graphical representation of the data. In addition to all this, an interface has been developed for obtaining the information coming from a wireless sensor network deployed in the area where the user is taking his/her measurements. Also as part of the work performed, the smartphone application that utilizes the specified interfaces has been implemented, in order to actually perform the measurements correlation. This application allows the user to maintain the biometric devices list and control their configuration, including the activation of the measurements taking process. These data can be visualized anytime and, moreover, they can be represented graphically in the smartphone screen. The design of the interfaces is flexible in the sense that new functionality may be easily added to them in the future and new applications with different purposes may make use of them. The modules implemented as part of this Final Degree Project have been developed in order to comply with all the requirements of the smartphone system described above.

Gestión de la información en redes de sensores inalámbricos

La gestión del conocimiento (KM) es el proceso de recolectar datos en bruto para su análisis y filtrado, con la finalidad de obtener conocimiento útil a partir de dichos datos. En este proyecto se pretende hacer un estudio sobre la gestión de la información en las redes de sensores inalámbricos como inicio para sentar las bases para la gestión del conocimiento en las mismas. Las redes de sensores inalámbricos (WSN) son redes compuestas por sensores (también conocidos como motas) distribuidos sobre un área, cuya misión es monitorizar una o varias condiciones físicas del entorno. Las redes de sensores inalámbricos se caracterizan por tener restricciones de consumo para los sensores que utilizan baterías, por su capacidad para adaptarse a cambios y ser escalables, y también por su habilidad para hacer frente a fallos en los sensores. En este proyecto se hace un estudio sobre la gestión de la información en redes de sensores inalámbricos. Se comienza introduciendo algunos conceptos básicos: arquitectura, pila de protocolos, topologías de red, etc.… Después de esto, se ha enfocado el estudio hacia TinyDB, el cual puede ser considerado como parte de las tecnologías más avanzadas en el estado del arte de la gestión de la información en redes de sensores inalámbricos. TinyDB es un sistema de procesamiento de consultas para extraer información de una red de sensores. Proporciona una interfaz similar a SQL y permite trabajar con consultas contra la red de sensores inalámbricos como si se tratara de una base de datos tradicional. Además, TinyDB implementa varias optimizaciones para manejar los datos eficientemente. En este proyecto se describe también la implementación de una sencilla aplicación basada en redes de sensores inalámbricos. Las motas en la aplicación son capaces de medir la corriente a través de un cable. El objetivo de esta aplicación es monitorizar el consumo de energía en diferentes zonas de un área industrial o doméstico, utilizando redes de sensores inalámbricas. Además, se han implementado las optimizaciones más importantes que se han aprendido en el análisis de la plataforma TinyDB. Para desarrollar esta aplicación se ha utilizado como sensores la plataforma open-source de creación de prototipos electrónicos Arduino, y el ordenador de placa reducida Raspberry Pi como coordinador. ABSTRACT. Knowledge management (KM) is the process of collecting raw data for analysis and filtering, to get a useful knowledge from this data. In this project the information management in wireless sensor networks is studied as starting point before knowledge management. Wireless sensor networks (WSN) are networks which consists of sensors (also known as motes) distributed over an area, to monitor some physical conditions of the environment. Wireless sensor networks are characterized by power consumption constrains for sensors which are using batteries, by the ability to be adaptable to changes and to be scalable, and by the ability to cope sensor failures. In this project it is studied information management in wireless sensor networks. The document starts introducing basic concepts: architecture, stack of protocols, network topology… After this, the study has been focused on TinyDB, which can be considered as part of the most advanced technologies in the state of the art of information management in wireless sensor networks. TinyDB is a query processing system for extracting information from a network of sensors. It provides a SQL-like interface and it lets us to work with queries against the wireless sensor network like if it was a traditional database. In addition, TinyDB implements a lot of optimizations to manage data efficiently. In this project, it is implemented a simple wireless sensor network application too. Application’s motes are able to measure amperage through a cable. The target of the application is, by using a wireless sensor network and these sensors, to monitor energy consumption in different areas of a house. Additionally, it is implemented the most important optimizations that we have learned from the analysis of TinyDB platform. To develop this application it is used Arduino open-source electronics prototyping platform as motes, and Raspberry Pi single-board computer as coordinator.

Caracterización no destructiva del proceso de curado en materiales cementicios

La calidad del hormigón prefabricado se determina mediante ensayos de rotura a compresión en probetas transcurridos los 28 días de curado, según establece la EHE-08. Sin embargo, en la plantas de prefabricados es necesario además saber cuándo el hormigón está listo para ser procesado (destensado, cortado, trasladado), por lo que es necesario hacer ensayos de resistencia a la compresión entre las 48 y 72 horas, este tiempo se determina a partir de la experiencia previa adquirida y depende de las condiciones de cada planta. Si las probetas no han alcanzado el valor establecido, normalmente debido a un cambio en las condiciones climatológicas o en los materiales utilizados como el tipo de cemento o agregados, la solución adoptada suele ser dejar curar el material más horas en la pista para que alcance la resistencia necesaria para ser procesado. Si sigue sin alcanzarla, lo cual sucede muy ocasionalmente, se intenta analizar cuál ha sido el motivo, pudiéndose tirar toda la producción de ese día si se comprueba que ha sido un fallo en la fabricación de la línea, y no un fallo de la probeta. Por tanto, esta metodología de control de calidad, basada en técnicas destructivas, supone dos tipos de problemas, costes y representatividad. Los métodos no destructivos que más se han aplicado para caracterizar el proceso de curado del hormigón son los ultrasónicos y la medida de la temperatura como se recoge en la bibliografía consultada. Hay diferentes modelos que permiten establecer una relación entre la temperatura y el tiempo de curado para estimar la resistencia a compresión del material, y entre la velocidad de propagación ultrasónica y la resistencia. Aunque estas relaciones no son generales, se han obtenido muy buenos resultados, ejemplo de ello es el modelo basado en la temperatura, Maturity Method, que forma parte de la norma de la ASTM C 1074 y en el mercado hay disponibles equipos comerciales (maturity meters) para medir el curado del hormigón. Además, es posible diseñar sistemas de medida de estos dos parámetros económicos y robustos; por lo cual es viable la realización de una metodología para el control de calidad del curado que pueda ser implantado en las plantas de producción de prefabricado. En este trabajo se ha desarrollado una metodología que permite estimar la resistencia a la compresión del hormigón durante el curado, la cual consta de un procedimiento para el control de calidad del prefabricado y un sistema inalámbrico de sensores para la medida de la temperatura y la velocidad ultrasónica. El procedimiento para el control de calidad permite realizar una predicción de la resistencia a compresión a partir de un modelo basado en la temperatura de curado y otros dos basados en la velocidad, método de tiempo equivalente y método lineal. El sistema inalámbrico de sensores desarrollado, WilTempUS, integra en el mismo dispositivo sensores de temperatura, humedad relativa y ultrasonidos. La validación experimental se ha realizado mediante monitorizaciones en probetas y en las líneas de prefabricados. Los resultados obtenidos con los modelos de estimación y el sistema de medida desarrollado muestran que es posible predecir la resistencia en prefabricados de hormigón en planta con errores comparables a los aceptables por norma en los ensayos de resistencia a compresión en probetas. ABSTRACT Precast concrete quality is determined by compression tests breakage on specimens after 28 days of curing, as established EHE-08. However, in the precast plants is also necessary to know when the concrete is ready to be processed (slack, cut, moved), so it is necessary to test the compressive strength between 48 and 72 hours. This time is determined from prior experience and depends on the conditions of each plant. If the samples have not reached the set value, usually due to changes in the weather conditions or in the materials used as for example the type of cement or aggregates, the solution usually adopted is to cure the material on track during more time to reach the required strength for processing. If the material still does not reach this strength, which happens very occasionally, the reason of this behavior is analyzed , being able to throw the entire production of that day if there was a failure in the manufacturing line, not a failure of the specimen. Therefore, this method of quality control, using destructive techniques, involves two kinds of problems, costs and representativeness. The most used non-destructive methods to characterize the curing process of concrete are those based on ultrasonic and temperature measurement as stated in the literature. There are different models to establish a relationship between temperature and the curing time to estimate the compressive strength of the material, and between the ultrasonic propagation velocity and the compressive strength. Although these relationships are not general, they have been very successful, for example the Maturity Method is based on the temperature measurements. This method is part of the standards established in ASTM C 1074 and there are commercial equipments available (maturity meters) in the market to measure the concrete curing. Furthermore, it is possible to design inexpensive and robust systems to measure ultrasounds and temperature. Therefore is feasible to determine a method for quality control of curing to be implanted in the precast production plants. In this work, it has been developed a methodology which allows to estimate the compressive strength of concrete during its curing process. This methodology consists of a procedure for quality control of the precast concrete and a wireless sensor network to measure the temperature and ultrasonic velocity. The procedure for quality control allows to predict the compressive strength using a model based on the curing temperature and two other models based on ultrasonic velocity, the equivalent time method and the lineal one. The wireless sensor network, WilTempUS, integrates is the same device temperature, relative humidity and ultrasonic sensors. The experimental validation has been carried out in cubic specimens and in the production plants. The results obtained with the estimation models and the measurement system developed in this thesis show that it is possible to predict the strength in precast concrete plants with errors within the limits of the standards for testing compressive strength specimens.

A proposal for an Internet of Things-based monitoring system composed by low capability, open source and open hardware devices

The Internet of Things makes use of a huge disparity of technologies at very different levels that help one to the other to accomplish goals that were previously regarded as unthinkable in terms of ubiquity or scalability. If the Internet of Things is expected to interconnect every day devices or appliances and enable communications between them, a broad range of new services, applications and products can be foreseen. For example, monitoring is a process where sensors have widespread use for measuring environmental parameters (temperature, light, chemical agents, etc.) but obtaining readings at the exact physical point they want to be obtained from, or about the exact wanted parameter can be a clumsy, time-consuming task that is not easily adaptable to new requirements. In order to tackle this challenge, a proposal on a system used to monitor any conceivable environment, which additionally is able to monitor the status of its own components and heal some of the most usual issues of a Wireless Sensor Network, is presented here in detail, covering all the layers that give it shape in terms of devices, communications or services.

Power-Aware Multi-Objective Evolvable Hardware System on an FPGA

Dynamic and Partial Reconfiguration (DPR) allows a system to be able to modify certain parts of itself during run-time. This feature gives rise to the capability of evolution: changing parts of the configuration according to the online evaluation of performance or other parameters. The evolution is achieved through a bio-inspired model in which the features of the system are identified as genes. The objective of the evolution may not be a single one; in this work, power consumption is taken into consideration, together with the quality of filtering, as the measure of performance, of a noisy image. Pareto optimality is applied to the evolutionary process, in order to find a representative set of optimal solutions as for performance and power consumption. The main contributions of this paper are: implementing an evolvable system on a low-power Spartan-6 FPGA included in a Wireless Sensor Network node and, by enabling the availability of a real measure of power consumption at run-time, achieving the capability of multi-objective evolution, that yields different optimal configurations, among which the selected one will depend on the relative “weights” of performance and power consumption.

Contribution towards intelligent service management in wearable and ubiquitous devices

Hoy en día asistimos a un creciente interés por parte de la sociedad hacia el cuidado de la salud. Esta afirmación viene apoyada por dos realidades. Por una parte, el aumento de las prácticas saludables (actividad deportiva, cuidado de la alimentación, etc.). De igual manera, el auge de los dispositivos inteligentes (relojes, móviles o pulseras) capaces de medir distintos parámetros físicos como el pulso cardíaco, el ritmo respiratorio, la distancia recorrida, las calorías consumidas, etc. Combinando ambos factores (interés por el estado de salud y disponibilidad comercial de dispositivos inteligentes) están surgiendo multitud de aplicaciones capaces no solo de controlar el estado actual de salud, también de recomendar al usuario cambios de hábitos que lleven hacia una mejora en su condición física. En este contexto, los llamados dispositivos llevables (weareables) unidos al paradigma de Internet de las cosas (IoT, del inglés Internet of Things) permiten la aparición de nuevos nichos de mercado para aplicaciones que no solo se centran en la mejora de la condición física, ya que van más allá proponiendo soluciones para el cuidado de pacientes enfermos, la vigilancia de niños o ancianos, la defensa y la seguridad, la monitorización de agentes de riesgo (como bomberos o policías) y un largo etcétera de aplicaciones por llegar. El paradigma de IoT se puede desarrollar basándose en las existentes redes de sensores inalámbricos (WSN, del inglés Wireless Sensor Network). La conexión de los ya mencionados dispositivos llevables a estas redes puede facilitar la transición de nuevos usuarios hacia aplicaciones IoT. Pero uno de los problemas intrínsecos a estas redes es su heterogeneidad. En efecto, existen multitud de sistemas operativos, protocolos de comunicación, plataformas de desarrollo, soluciones propietarias, etc. El principal objetivo de esta tesis es realizar aportaciones significativas para solucionar no solo el problema de la heterogeneidad, sino también de dotar de mecanismos de seguridad suficientes para salvaguardad la integridad de los datos intercambiados en este tipo de aplicaciones. Algo de suma importancia ya que los datos médicos y biométricos de los usuarios están protegidos por leyes nacionales y comunitarias. Para lograr dichos objetivos, se comenzó con la realización de un completo estudio del estado del arte en tecnologías relacionadas con el marco de investigación (plataformas y estándares para WSNs e IoT, plataformas de implementación distribuidas, dispositivos llevables y sistemas operativos y lenguajes de programación). Este estudio sirvió para tomar decisiones de diseño fundamentadas en las tres contribuciones principales de esta tesis: un bus de servicios para dispositivos llevables (WDSB, Wearable Device Service Bus) basado en tecnologías ya existentes tales como ESB, WWBAN, WSN e IoT); un protocolo de comunicaciones inter-dominio para dispositivos llevables (WIDP, Wearable Inter-Domain communication Protocol) que integra en una misma solución protocolos capaces de ser implementados en dispositivos de bajas capacidades (como lo son los dispositivos llevables y los que forman parte de WSNs); y finalmente, la tercera contribución relevante es una propuesta de seguridad para WSN basada en la aplicación de dominios de confianza. Aunque las contribuciones aquí recogidas son de aplicación genérica, para su validación se utilizó un escenario concreto de aplicación: una solución para control de parámetros físicos en entornos deportivos, desarrollada dentro del proyecto europeo de investigación “LifeWear”. En este escenario se desplegaron todos los elementos necesarios para validar las contribuciones principales de esta tesis y, además, se realizó una aplicación para dispositivos móviles por parte de uno de los socios del proyecto (lo que contribuyó con una validación externa de la solución). En este escenario se usaron dispositivos llevables tales como un reloj inteligente, un teléfono móvil con sistema operativo Android y un medidor del ritmo cardíaco inalámbrico capaz de obtener distintos parámetros fisiológicos del deportista. Sobre este escenario se realizaron diversas pruebas de validación mediante las cuales se obtuvieron resultados satisfactorios. ABSTRACT Nowadays, society is shifting towards a growing interest and concern on health care. This phenomenon can be acknowledged by two facts: first, the increasing number of people practising some kind of healthy activity (sports, balanced diet, etc.). Secondly, the growing number of commercial wearable smart devices (smartwatches or bands) able to measure physiological parameters such as heart rate, breathing rate, distance or consumed calories. A large number of applications combining both facts are appearing. These applications are not only able to monitor the health status of the user, but also to provide recommendations about routines in order to improve the mentioned health status. In this context, wearable devices merged with the Internet of Things (IoT) paradigm enable the proliferation of new market segments for these health wearablebased applications. Furthermore, these applications can provide solutions for the elderly or baby care, in-hospital or in-home patient monitoring, security and defence fields or an unforeseen number of future applications. The introduced IoT paradigm can be developed with the usage of existing Wireless Sensor Networks (WSNs) by connecting the novel wearable devices to them. In this way, the migration of new users and actors to the IoT environment will be eased. However, a major issue appears in this environment: heterogeneity. In fact, there is a large number of operating systems, hardware platforms, communication and application protocols or programming languages, each of them with unique features. The main objective of this thesis is defining and implementing a solution for the intelligent service management in wearable and ubiquitous devices so as to solve the heterogeneity issues that are presented when dealing with interoperability and interconnectivity of devices and software of different nature. Additionally, a security schema based on trust domains is proposed as a solution to the privacy problems arising when private data (e.g., biomedical parameters or user identification) is broadcasted in a wireless network. The proposal has been made after a comprehensive state-of-the-art analysis, and includes the design of a Wearable Device Service Bus (WDSB) including the technologies collected in the requirement analysis (ESB, WWBAN, WSN and IoT). Applications are able to access the WSN services regardless of the platform and operating system where they are running. Besides, this proposal also includes the design of a Wearable Inter-Domain communication Protocols set (WIDP) which integrates lightweight protocols suitable to be used in low-capacities devices (REST, JSON, AMQP, CoAP, etc...). Furthermore, a security solution for service management based on a trustworthy domains model to deploy security services in WSNs has been designed. Although the proposal is a generic framework for applications based on services provided by wearable devices, an application scenario for testing purposes has been included. In this validation scenario it has been presented an autonomous physical condition performance system, based on a WSN, bringing the possibility to include several elements in an IoT scenario: a smartwatch, a physiological monitoring device and a smartphone. In summary, the general objective of this thesis is solving the heterogeneity and security challenges arising when developing applications for WSNs and wearable devices. As it has been presented in the thesis, the solution proposed has been successfully validated in a real scenario and the obtained results were satisfactory.

Application of PZT and FBG impedance sensors for structural health monitoring of reinforced concrete beams strengthened with FRP composite materials

Esta Tesis tiene como objetivo principal el desarrollo de métodos de identificación del daño que sean robustos y fiables, enfocados a sistemas estructurales experimentales, fundamentalmente a las estructuras de hormigón armado reforzadas externamente con bandas fibras de polímeros reforzados (FRP). El modo de fallo de este tipo de sistema estructural es crítico, pues generalmente es debido a un despegue repentino y frágil de la banda del refuerzo FRP originado en grietas intermedias causadas por la flexión. La detección de este despegue en su fase inicial es fundamental para prevenir fallos futuros, que pueden ser catastróficos. Inicialmente, se lleva a cabo una revisión del método de la Impedancia Electro-Mecánica (EMI), de cara a exponer sus capacidades para la detección de daño. Una vez la tecnología apropiada es seleccionada, lo que incluye un analizador de impedancias así como novedosos sensores PZT para monitorización inteligente, se ha diseñado un procedimiento automático basado en los registros de impedancias de distintas estructuras de laboratorio. Basándonos en el hecho de que las mediciones de impedancias son posibles gracias a una colocación adecuada de una red de sensores PZT, la estimación de la presencia de daño se realiza analizando los resultados de distintos indicadores de daño obtenidos de la literatura. Para que este proceso sea automático y que no sean necesarios conocimientos previos sobre el método EMI para realizar un experimento, se ha diseñado e implementado un Interfaz Gráfico de Usuario, transformando la medición de impedancias en un proceso fácil e intuitivo. Se evalúa entonces el daño a través de los correspondientes índices de daño, intentando estimar no sólo su severidad, sino también su localización aproximada. El desarrollo de estos experimentos en cualquier estructura genera grandes cantidades de datos que han de ser procesados, y algunas veces los índices de daño no son suficientes para una evaluación completa de la integridad de una estructura. En la mayoría de los casos se pueden encontrar patrones de daño en los datos, pero no se tiene información a priori del estado de la estructura. En este punto, se ha hecho una importante investigación en técnicas de reconocimiento de patrones particularmente en aprendizaje no supervisado, encontrando aplicaciones interesantes en el campo de la medicina. De ahí surge una idea creativa e innovadora: detectar y seguir la evolución del daño en distintas estructuras como si se tratase de un cáncer propagándose por el cuerpo humano. En ese sentido, las lecturas de impedancias se emplean como información intrínseca de la salud de la propia estructura, de forma que se pueden aplicar las mismas técnicas que las empleadas en la investigación del cáncer. En este caso, se ha aplicado un algoritmo de clasificación jerárquica dado que ilustra además la clasificación de los datos de forma gráfica, incluyendo información cualitativa y cuantitativa sobre el daño. Se ha investigado la efectividad de este procedimiento a través de tres estructuras de laboratorio, como son una viga de aluminio, una unión atornillada de aluminio y un bloque de hormigón reforzado con FRP. La primera ayuda a mostrar la efectividad del método en sencillos escenarios de daño simple y múltiple, de forma que las conclusiones extraídas se aplican sobre los otros dos, diseñados para simular condiciones de despegue en distintas estructuras. Demostrada la efectividad del método de clasificación jerárquica de lecturas de impedancias, se aplica el procedimiento sobre las estructuras de hormigón armado reforzadas con bandas de FRP objeto de esta tesis, detectando y clasificando cada estado de daño. Finalmente, y como alternativa al anterior procedimiento, se propone un método para la monitorización continua de la interfase FRP-Hormigón, a través de una red de sensores FBG permanentemente instalados en dicha interfase. De esta forma, se obtienen medidas de deformación de la interfase en condiciones de carga continua, para ser implementadas en un modelo de optimización multiobjetivo, cuya solución se haya por medio de una expansión multiobjetivo del método Particle Swarm Optimization (PSO). La fiabilidad de este último método de detección se investiga a través de sendos ejemplos tanto numéricos como experimentales. ABSTRACT This thesis aims to develop robust and reliable damage identification methods focused on experimental structural systems, in particular Reinforced Concrete (RC) structures externally strengthened with Fiber Reinforced Polymers (FRP) strips. The failure mode of this type of structural system is critical, since it is usually due to sudden and brittle debonding of the FRP reinforcement originating from intermediate flexural cracks. Detection of the debonding in its initial stage is essential thus to prevent future failure, which might be catastrophic. Initially, a revision of the Electro-Mechanical Impedance (EMI) method is carried out, in order to expose its capabilities for local damage detection. Once the appropriate technology is selected, which includes impedance analyzer as well as novel PZT sensors for smart monitoring, an automated procedure has been design based on the impedance signatures of several lab-scale structures. On the basis that capturing impedance measurements is possible thanks to an adequately deployed PZT sensor network, the estimation of damage presence is done by analyzing the results of different damage indices obtained from the literature. In order to make this process automatic so that it is not necessary a priori knowledge of the EMI method to carry out an experimental test, a Graphical User Interface has been designed, turning the impedance measurements into an easy and intuitive procedure. Damage is then assessed through the analysis of the corresponding damage indices, trying to estimate not only the damage severity, but also its approximate location. The development of these tests on any kind of structure generates large amounts of data to be processed, and sometimes the information provided by damage indices is not enough to achieve a complete analysis of the structural health condition. In most of the cases, some damage patterns can be found in the data, but none a priori knowledge of the health condition is given for any structure. At this point, an important research on pattern recognition techniques has been carried out, particularly on unsupervised learning techniques, finding interesting applications in the medicine field. From this investigation, a creative and innovative idea arose: to detect and track the evolution of damage in different structures, as if it were a cancer propagating through a human body. In that sense, the impedance signatures are used to give intrinsic information of the health condition of the structure, so that the same clustering algorithms applied in the cancer research can be applied to the problem addressed in this dissertation. Hierarchical clustering is then applied since it also provides a graphical display of the clustered data, including quantitative and qualitative information about damage. The performance of this approach is firstly investigated using three lab-scale structures, such as a simple aluminium beam, a bolt-jointed aluminium beam and an FRP-strengthened concrete specimen. The first one shows the performance of the method on simple single and multiple damage scenarios, so that the first conclusions can be extracted and applied to the other two experimental tests, which are designed to simulate a debonding condition on different structures. Once the performance of the impedance-based hierarchical clustering method is proven to be successful, it is then applied to the structural system studied in this dissertation, the RC structures externally strengthened with FRP strips, where the debonding failure in the interface between the FRP and the concrete is successfully detected and classified, proving thus the feasibility of this method. Finally, as an alternative to the previous approach, a continuous monitoring procedure of the FRP-Concrete interface is proposed, based on an FBGsensors Network permanently deployed within that interface. In this way, strain measurements can be obtained under controlled loading conditions, and then they are used in order to implement a multi-objective model updating method solved by a multi-objective expansion of the Particle Swarm Optimization (PSO) method. The feasibility of this last proposal is investigated and successfully proven on both numerical and experimental RC beams strengthened with FRP.

Uso de una red inalámbrica de sensores para estimar riesgo de incendio

Una red inalámbrica de sensores (Wireless Sensor Network, WSN) constituye un sistema de comunicación de datos flexible utilizado como alternativa a las redes cableadas o como extensión de éstas y está compuesta por elementos de cómputo, medición y comunicación, que permiten al administrador instrumentar, observar y reaccionar a eventos y fenómenos en un ambiente específico. Una de las aplicaciones de estas redes es su uso en sistemas de predicción y prevención de incendios en áreas naturales. Su implementación se basa en el despliegue de sensores inalámbricos, realizado en una zona de riesgo de incendio para que puedan recolectar información sobre parámetros ambientales como temperatura, humedad, luz o presión, entre otros. Desde una estación base (o nodo "sumidero"), se suministra la información de los sensores a un centro de monitorización y control de forma estructurada. En este centro la información recibida puede ser analizada, procesada y visualizada en tiempo real. Desde este centro de control se puede controlar también la red WSN modificando el comportamiento de los sensores según el nivel de riesgo de incendio detectado. Este proyecto se basa en el diseño, implementación y despliegue de una red inalámbrica de sensores en un entorno simulado para observar su comportamiento en diferentes situaciones y mostrar su eficacia ante un posible caso de incendio. La implementación de este sistema denominado Sistema de Estimación de Riesgo de Incendio Utilizando una WSN (SERIUW) , junto con el desarrollado, en paralelo, de otro proyecto denominado Sistema de Control y Visualización de Información sobre Riesgo de Incendio (SCVIRI) que implementa las funciones de los centros de monitorización y control, conforman un Sistema de Anticipación y Seguimiento de Fuegos (SASF). Se han realizado pruebas de funcionalidad y eficacia, incluidas en la presente memoria del sistema unitario de en conjunto (ambos proyectos), en un entorno controlado simulado. Este sistema es una solución para la lucha contra los incendios forestales ya que predice y previene, de forma temprana, posibles incendios en las áreas naturales bajo supervisión. Ante un evento de incendio declarado este sistema es un poderoso instrumento de apoyo permitiendo, por un lado, generar alertas automáticas (con localización y gravedad de fuegos detectados) y por el otro, hacer un seguimiento del incendio con mapas en tiempo real (con su consecuente apoyo para la protección e información con las brigadas de bomberos en las zonas activas). ABSTRACT. A wireless sensor network (WSN) is a flexible data communication system used as an alternative to wired networks or as an extension of them and consists of nodes that perform calculation, measurement and communication activities. This allows the administrator to observe and react to events and phenomena in a specific environment. One application of these networks is fire prediction and prevention in natural areas. Its implementation is based on a deployment of wireless sensors, in a fire risk area, capable of collecting information such as temperature, humidity, luminance and pressure. A base station (or "sink") sends the collected information to a monitoring and control center following a structured format. At this center, the information received can be analyzed, processed and displayed in real time with monitoring systems. From this control center the WSN can also be controlled by changing the sensors behavior according to the level of fire risk detection. This project is based on the design, implementation and deployment of a Wireless Sensor Network (WSN) in a simulated environment in order to observe its behavior in different situations and show its effectiveness against a possible fire environment. The implementation of this system called SERIUW, has been done in parallel with other system, called SCVIRI, which has been developed in another project that implements the functions of monitoring and control center. Together, these two systems, make up a general system of anticipation and monitoring of fires. Functionality and performance tests have been performed on the overall system, in a controlled and simulated environment. The results of these tests are included in this document. The global system is a solution to fight the forest fires because it makes it easier to predict and prevent, early, possible fires in natural areas under supervision. This sytem can be a powerful tool since, before a fire event is declared, it generates automatic alerts (including location and severity information) and allows the real-time motorization of fire evolution integrated with maps. This could be also very useful for the support protection and information of fire brigades in zones in which a fire is already active.

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.

Sistema de control y visualización de información sobre riesgo de incendios

Una red inalámbrica de sensores (Wireless Sensor Network, WSN) constituye un sistema de comunicación de datos flexible utilizado como alternativa a las redes cableadas o como extensión de éstas. Una de las aplicaciones de estas redes es para su uso en sistemas de predicción y prevención de incendios en áreas naturales. Su implementación se basa en el despliegue de sensores inalámbricos, realizado en una zona de riesgo de incendio que puedan recolectar información tal como temperatura, humedad y presión. Desde una estación base (o nodo "sumidero"), se suministra la información de los sensores a un centro de monitorización y control de forma estructurada. En estos centros la información recibida puede ser analizada, procesada y visualizada en tiempo real. Desde este centro de control se puede controlar también la red WSN modificando el comportamiento de los sensores según el nivel de riesgo de incendio detectado. Este proyecto se basa en el diseño, desarrollo e implementación de un Sistema de Control y Visualización de Información sobre Riesgo de Incendio (SCVIRI), que implementa las funciones de los centros de monitorización y control. La implementación de este sistema, junto con el desarrollado, en paralelo, de otro proyecto denominado Sistema de Estimación de Riesgo de Incendio Utilizando una WSN (SERIUW) que implementa la emulación de la red WSN, conforman un sistema general de anticipación y seguimiento de Fuegos. Se han realizado pruebas de funcionalidad y eficacia, incluidas en la presente memoria del sistema general (ambos proyectos), en un entorno controlado simulado. Este sistema es una solución para la lucha contra los incendios forestales ya que predice y previene, de forma temprana, posibles incendios en las áreas naturales bajo supervisión. Ante un evento de incendio declarado este sistema es un poderoso instrumento de apoyo permitiendo, por un lado, generar alertas automáticas (con localización y gravedad de fuegos detectados) y por el otro, hacer un seguimiento del incendio con mapas en tiempo real (con su consecuente apoyo para la protección e información con las brigadas de bomberos en las zonas activas). ABSTRACT. A wireless sensor network (WSN) is a flexible data communication system used as an alternative to wired networks or as an extension of them. One possible application of these networks is related to fire prediction and prevention in natural areas. Its implementation is based on a deployment of wireless sensors, in an area with high or moderate fire risk, to collect information such as temperature, humidity, luminance and pressure. A base station (or "sink") sends the collected information to a monitoring and control center according to an agreed structured format. At this center, the information received can be analyzed, processed and displayed in real time by using monitoring systems. From this control center the WSN can also be controlled by changing the sensors behavior in consistence with the detected level of fire risk. The work carried out in this project consists on the design, development and implementation of a system named SCVIRI, which implements the functions of the aforementioned monitoring and control center. This system works in connection with other one, called SERIUW, which has been developed in a different project and implements the WSN in an emulated environment. These two systems working together make up a general system of anticipation and monitoring of fires. This document also includes the functionality and performance tests performed on the overall system in a controlled and simulated environment. The global system is a solution that makes it easier to predict and prevent possible fires in natural areas under supervision. This system can be a powerful tool since, before a fire event is declared, it generates automatic alerts (including location and severity information) and allows the real-time motorization of fire evolution and its graphical visualization on maps. This could be also very useful for providing fire brigades with support, protection and information in zones in which a fire is already active.

Enriquecimiento de fuentes de datos con descripciones lingüísticas mediante bases de datos geográficas externas

El presente trabajo se ha centrado en la investigación de soluciones para automatizar la tarea del enriquecimiento de fuentes de datos sobre redes de sensores con descripciones lingüísticas, con el fin de facilitar la posterior generación de textos en lenguaje natural. El uso de descripciones en lenguaje natural facilita el acceso a los datos a una mayor diversidad de usuarios y, como consecuencia, permite aprovechar mejor las inversiones en redes de sensores. En el trabajo se ha considerado el uso de bases de datos abiertas para abordar la necesidad de disponer de un gran volumen y diversidad de conocimiento geográfico. Se ha analizado también el enriquecimiento de datos dentro de enfoques metodológicos de curación de datos y métodos de generación de lenguaje natural. Como resultado del trabajo, se ha planteado un método general basado en una estrategia de generación y prueba que incluye una forma de representación y uso del conocimiento heurístico con varias etapas de razonamiento para la construcción de descripciones lingüísticas de enriquecimiento de datos. En la evaluación de la propuesta general se han manejado tres escenarios, dos de ellos para generación de referencias geográficas sobre redes de sensores complejas de dimensión real y otro para la generación de referencias temporales. Los resultados de la evaluación han mostrado la validez práctica de la propuesta general exhibiendo mejoras de rendimiento respecto a otros enfoques. Además, el análisis de los resultados ha permitido identificar y cuantificar el impacto previsible de diversas líneas de mejora en bases de datos abiertas. ABSTRACT This work has focused on the search for solutions to automate the task of enrichment sensor-network-based data sources with textual descriptions, so as to facilitate the generation of natural language texts. Using natural language descriptions facilitates data access to a wider range of users and, therefore, allows better leveraging investments in sensor networks. In this work we have considered the use of open databases to address the need for a large volume and diversity of geographical knowledge. We have also analyzed data enrichment in methodological approaches and data curation methods of natural language generation. As a result, it has raised a general method based on a strategy of generating and testing that includes a representation using heuristic knowledge with several stages of reasoning for the construction of linguistic descriptions of data enrichment. In assessing the overall proposal three scenarios have been addressed, two of them in the environmental domain with complex sensor networks and another real dimension in the time domain. The evaluation results have shown the validity and practicality of our proposal, showing performance improvements over other approaches. Furthermore, the analysis of the results has allowed identifying and quantifying the expected impact of various lines of improvement in open databases.

Contribution to the improvement of communication services in nanosatellite constellations using delay and disruption tolerant networking based architectures

Esta tesis se desarrolla dentro del marco de las comunicaciones satelitales en el innovador campo de los pequeños satélites también llamados nanosatélites o cubesats, llamados así por su forma cubica. Estos nanosatélites se caracterizan por su bajo costo debido a que usan componentes comerciales llamados COTS (commercial off-the-shelf) y su pequeño tamaño como los Cubesats 1U (10cm*10 cm*10 cm) con masa aproximada a 1 kg. Este trabajo de tesis tiene como base una iniciativa propuesta por el autor de la tesis para poner en órbita el primer satélite peruano en mi país llamado chasqui I, actualmente puesto en órbita desde la Estación Espacial Internacional. La experiencia de este trabajo de investigación me llevo a proponer una constelación de pequeños satélites llamada Waposat para dar servicio de monitoreo de sensores de calidad de agua a nivel global, escenario que es usado en esta tesis. Es ente entorno y dadas las características limitadas de los pequeños satélites, tanto en potencia como en velocidad de datos, es que propongo investigar una nueva arquitectura de comunicaciones que permita resolver en forma óptima la problemática planteada por los nanosatélites en órbita LEO debido a su carácter disruptivo en sus comunicaciones poniendo énfasis en las capas de enlace y aplicación. Esta tesis presenta y evalúa una nueva arquitectura de comunicaciones para proveer servicio a una red de sensores terrestres usando una solución basada en DTN (Delay/Disruption Tolerant Networking) para comunicaciones espaciales. Adicionalmente, propongo un nuevo protocolo de acceso múltiple que usa una extensión del protocolo ALOHA no ranurado, el cual toma en cuenta la prioridad del trafico del Gateway (ALOHAGP) con un mecanismo de contienda adaptativo. Utiliza la realimentación del satélite para implementar el control de la congestión y adapta dinámicamente el rendimiento efectivo del canal de una manera óptima. Asumimos un modelo de población de sensores finito y una condición de tráfico saturado en el que cada sensor tiene siempre tramas que transmitir. El desempeño de la red se evaluó en términos de rendimiento efectivo, retardo y la equidad del sistema. Además, se ha definido una capa de convergencia DTN (ALOHAGP-CL) como un subconjunto del estándar TCP-CL (Transmission Control Protocol-Convergency Layer). Esta tesis muestra que ALOHAGP/CL soporta adecuadamente el escenario DTN propuesto, sobre todo cuando se utiliza la fragmentación reactiva. Finalmente, esta tesis investiga una transferencia óptima de mensajes DTN (Bundles) utilizando estrategias de fragmentación proactivas para dar servicio a una red de sensores terrestres utilizando un enlace de comunicaciones satelitales que utiliza el mecanismo de acceso múltiple con prioridad en el tráfico de enlace descendente (ALOHAGP). El rendimiento efectivo ha sido optimizado mediante la adaptación de los parámetros del protocolo como una función del número actual de los sensores activos recibidos desde el satélite. También, actualmente no existe un método para advertir o negociar el tamaño máximo de un “bundle” que puede ser aceptado por un agente DTN “bundle” en las comunicaciones por satélite tanto para el almacenamiento y la entrega, por lo que los “bundles” que son demasiado grandes son eliminados o demasiado pequeños son ineficientes. He caracterizado este tipo de escenario obteniendo una distribución de probabilidad de la llegada de tramas al nanosatélite así como una distribución de probabilidad del tiempo de visibilidad del nanosatélite, los cuales proveen una fragmentación proactiva óptima de los DTN “bundles”. He encontrado que el rendimiento efectivo (goodput) de la fragmentación proactiva alcanza un valor ligeramente inferior al de la fragmentación reactiva. Esta contribución permite utilizar la fragmentación activa de forma óptima con todas sus ventajas tales como permitir implantar el modelo de seguridad de DTN y la simplicidad al implementarlo en equipos con muchas limitaciones de CPU y memoria. La implementación de estas contribuciones se han contemplado inicialmente como parte de la carga útil del nanosatélite QBito, que forma parte de la constelación de 50 nanosatélites que se está llevando a cabo dentro del proyecto QB50. ABSTRACT This thesis is developed within the framework of satellite communications in the innovative field of small satellites also known as nanosatellites (<10 kg) or CubeSats, so called from their cubic form. These nanosatellites are characterized by their low cost because they use commercial components called COTS (commercial off-the-shelf), and their small size and mass, such as 1U Cubesats (10cm * 10cm * 10cm) with approximately 1 kg mass. This thesis is based on a proposal made by the author of the thesis to put into orbit the first Peruvian satellite in his country called Chasqui I, which was successfully launched into orbit from the International Space Station in 2014. The experience of this research work led me to propose a constellation of small satellites named Waposat to provide water quality monitoring sensors worldwide, scenario that is used in this thesis. In this scenario and given the limited features of nanosatellites, both power and data rate, I propose to investigate a new communications architecture that allows solving in an optimal manner the problems of nanosatellites in orbit LEO due to the disruptive nature of their communications by putting emphasis on the link and application layers. This thesis presents and evaluates a new communications architecture to provide services to terrestrial sensor networks using a space Delay/Disruption Tolerant Networking (DTN) based solution. In addition, I propose a new multiple access mechanism protocol based on extended unslotted ALOHA that takes into account the priority of gateway traffic, which we call ALOHA multiple access with gateway priority (ALOHAGP) with an adaptive contention mechanism. It uses satellite feedback to implement the congestion control, and to dynamically adapt the channel effective throughput in an optimal way. We assume a finite sensor population model and a saturated traffic condition where every sensor always has frames to transmit. The performance was evaluated in terms of effective throughput, delay and system fairness. In addition, a DTN convergence layer (ALOHAGP-CL) has been defined as a subset of the standard TCP-CL (Transmission Control Protocol-Convergence Layer). This thesis reveals that ALOHAGP/CL adequately supports the proposed DTN scenario, mainly when reactive fragmentation is used. Finally, this thesis investigates an optimal DTN message (bundles) transfer using proactive fragmentation strategies to give service to a ground sensor network using a nanosatellite communications link which uses a multi-access mechanism with priority in downlink traffic (ALOHAGP). The effective throughput has been optimized by adapting the protocol parameters as a function of the current number of active sensors received from satellite. Also, there is currently no method for advertising or negotiating the maximum size of a bundle which can be accepted by a bundle agent in satellite communications for storage and delivery, so that bundles which are too large can be dropped or which are too small are inefficient. We have characterized this kind of scenario obtaining a probability distribution for frame arrivals to nanosatellite and visibility time distribution that provide an optimal proactive fragmentation of DTN bundles. We have found that the proactive effective throughput (goodput) reaches a value slightly lower than reactive fragmentation approach. This contribution allows to use the proactive fragmentation optimally with all its advantages such as the incorporation of the security model of DTN and simplicity in protocol implementation for computers with many CPU and memory limitations. The implementation of these contributions was initially contemplated as part of the payload of the nanosatellite QBito, which is part of the constellation of 50 nanosatellites envisaged under the QB50 project.