Entwurf und Betrieb von Regelungs- und Monitoringsystemen für dezentrale Energiesysteme auf der Basis von verteilten Embedded Systems

Nach einem einleitenden ersten Kapitel wird im zweiten Kapitel der Stand der Technik für Regelungs- und Monitoringsysteme mit vernetzten Systemen dargestellt. Daraus wird die Motivation zur Entwicklung neuer, kostengünstiger Systeme abgeleitet. Im dritten Kapitel folgt eine Darstellung der verschiedenen Arten marktverfügbarer Embedded Systems und dafür geeigneter Betriebs­systeme. Anforderungen an verteilte Regelungssysteme, unterschiedliche Strukturen dieser Systeme und deren Vor- und Nachteile sind Gegenstand des vierten Kapitels. Anhand von Beispielen aus den Bereichen Erzeugungsmanagement für den Betrieb von KWK-Anlagen, Energieverbrauchsmonitoring und Smart-Metering wird der Einsatz von verteilten Regelungs- und Monitoringsystemen im fünften Kapitel dargestellt. Im folgenden sechsten Kapitel wird die Bedeutung normierter Kommunikation für den Einsatz in verteilten Systemen sowie dafür vorhandene Standards aus der elektrischen Energieversorgungstechnik und der Automatisierungstechnik behandelt. Der Stand der Internet-Technik für verteilte Systeme ist Gegenstand des siebten Kapitels. Dabei werden zunächst die verschiedenen drahtlosen und drahtgebundenen Kommunikationsmedien vorgestellt und ihre Eigenschaften und die Rand­bedingungen für ihren Einsatz erörtert. Ebenso werden technische Probleme beim Einsatz der Internet-Technik aufgezeigt und Lösungsmöglichkeiten für diese Probleme dargestellt. Es folgt eine Übersicht von Netzwerkdiensten, die für den Betrieb von verteilten Systemen notwendig sind. Außerdem werden Techniken zur Überwachung von verteilten Systemen behandelt. Kapitel acht zeigt Sicherheitsrisiken bei der Nutzung des Internets auf und bewertet verschiedene Techniken zur Absicherung des Netzwerkverkehrs. Kapitel neun stellt ein Internet-basiertes Client-Server-System zur Online-Visualisierung von Anlagendaten im Webbrowser mit Hilfe von Java-Applets und XML-RPC vor. Die Visualisierung von Anlagendaten auf Mobiltelefonen mit Hilfe des Wireless Application Protocol sowie die dafür notwendige Software und Infrastruktur ist Gegenstand des zehnten Kapitels. Im elften Kapitel wird eine neuartige Software für die Simulation von dezentralen Energiesystemen und deren Regelungs­systemen auf Basis von virtuellen Maschinen, virtuellen Netzwerken und einer thermischen Simulationsumgebung vorgestellt sowie deren Anwendung für die Reglerentwicklung erklärt. Verschiedene Techniken für die Installation von Betriebssystemen und Software für die Embedded Systems eines verteilten Systems werden im Kapitel zwölf untersucht. Im Kapitel 13 werden verschiedene Technologien zur Konfiguration und Parametrierung von Regelungssystemen in der industriellen Prozess- und Fertigungs­automatisierung hinsichtlich ihrer Eignung für dezentrale Energiesysteme analysiert. Anschließend wird eine Software zur Installation und Parametrierung von Monitoringsystemen sowie der dazugehörigen Infrastruktur vorgestellt. Kapitel 14 beschäftigt sich mit Anforderungen an die Hardware für verteilte Systeme und mit Maßnahmen zur Erhöhung der Betriebs- und der Datensicherheit. Im 15. Kapitel werden die in den bisherigen Kapiteln vorgestellten Techniken anhand eines großen verteilten Monitoringsystems und anhand eines Power Flow and Power Quality Management Systems auf Basis von verteilten Embedded Systems evaluiert. Kapitel 16 fasst die Ergebnisse der Arbeit zusammen und enthält einen Ausblick auf zukünftige Entwicklungen.

Memory Hierarchy Hardware-Software Co-design in Embedded Systems

The memory hierarchy is the main bottleneck in modern computer systems as the gap between the speed of the processor and the memory continues to grow larger. The situation in embedded systems is even worse. The memory hierarchy consumes a large amount of chip area and energy, which are precious resources in embedded systems. Moreover, embedded systems have multiple design objectives such as performance, energy consumption, and area, etc. Customizing the memory hierarchy for specific applications is a very important way to take full advantage of limited resources to maximize the performance. However, the traditional custom memory hierarchy design methodologies are phase-ordered. They separate the application optimization from the memory hierarchy architecture design, which tend to result in local-optimal solutions. In traditional Hardware-Software co-design methodologies, much of the work has focused on utilizing reconfigurable logic to partition the computation. However, utilizing reconfigurable logic to perform the memory hierarchy design is seldom addressed. In this paper, we propose a new framework for designing memory hierarchy for embedded systems. The framework will take advantage of the flexible reconfigurable logic to customize the memory hierarchy for specific applications. It combines the application optimization and memory hierarchy design together to obtain a global-optimal solution. Using the framework, we performed a case study to design a new software-controlled instruction memory that showed promising potential.

Prof Les Carr interviews Bebo White

Prof Les Carr interviews Bebo White about the Early Web and the Future Web – the Internet of Things

En jämförelse av molnbaserade realtidsanalystjänster : Skillnader i användbarhet mellan multi-tenant och single-tenant arkitekturer

Internet of Things är ett samlingsbegrepp för den utveckling som innebär att olika typer av enheter kan förses med sensorer och datachip som är uppkopplade mot internet. En ökad mängd data innebär en ökad förfrågan på lösningar som kan lagra, spåra, analysera och bearbeta data. Ett sätt att möta denna förfrågan är att använda sig av molnbaserade realtidsanalystjänster. Multi-tenant och single-tenant är två typer av arkitekturer för molnbaserade realtidsanalystjänster som kan användas för att lösa problemen med hanteringen av de ökade datamängderna. Dessa arkitekturer skiljer sig åt när det gäller komplexitet i utvecklingen. I detta arbete representerar Azure Stream Analytics en multi-tenant arkitektur och HDInsight/Storm representerar en single-tenant arkitektur. För att kunna göra en jämförelse av molnbaserade realtidsanalystjänster med olika arkitekturer, har vi valt att använda oss av användbarhetskriterierna: effektivitet, ändamålsenlighet och användarnöjdhet. Vi kom fram till att vi ville ha svar på följande frågor relaterade till ovannämnda tre användbarhetskriterier: • Vilka likheter och skillnader kan vi se i utvecklingstider? • Kan vi identifiera skillnader i funktionalitet? • Hur upplever utvecklare de olika analystjänsterna? Vi har använt en design and creation strategi för att utveckla två Proof of Concept prototyper och samlat in data genom att använda flera datainsamlingsmetoder. Proof of Concept prototyperna inkluderade två artefakter, en för Azure Stream Analytics och en för HDInsight/Storm. Vi utvärderade dessa genom att utföra fem olika scenarier som var för sig hade 2-5 delmål. Vi simulerade strömmande data genom att låta en applikation kontinuerligt slumpa fram data som vi analyserade med hjälp av de två realtidsanalystjänsterna. Vi har använt oss av observationer för att dokumentera hur vi arbetade med utvecklingen av analystjänsterna samt för att mäta utvecklingstider och identifiera skillnader i funktionalitet. Vi har även använt oss av frågeformulär för att ta reda på vad användare tyckte om analystjänsterna. Vi kom fram till att Azure Stream Analytics initialt var mer användbart än HDInsight/Storm men att skillnaderna minskade efter hand. Azure Stream Analytics var lättare att arbeta med vid simplare analyser medan HDInsight/Storm hade ett bredare val av funktionalitet.

Infraestrutura de data center e suas tendências com foco em eficiência energética

With the Big Data development and the growth of cloud computing and Internet of Things, data centers have been multiplying in Brazil and the rest of the world. Designing and running this sites in an efficient way has become a necessary challenge and to do so, it's essential a better understanding of its infrastructure. Thus, this paper presents a bibliography study using technical concepts in order to understand the specific needs related to this environment and the best forms address them. It discusses the data center infrastructure main systems, methods to improve their energy efficiency and their future trends

Infraestrutura de data center e suas tendências com foco em eficiência energética

With the Big Data development and the growth of cloud computing and Internet of Things, data centers have been multiplying in Brazil and the rest of the world. Designing and running this sites in an efficient way has become a necessary challenge and to do so, it's essential a better understanding of its infrastructure. Thus, this paper presents a bibliography study using technical concepts in order to understand the specific needs related to this environment and the best forms address them. It discusses the data center infrastructure main systems, methods to improve their energy efficiency and their future trends

Enhancement of Nematic Order and Global Phase Diagram of a Lattice Model for Coupled Nematic Systems

We use an infinite-range Maier-Saupe model, with two sets of local quadrupolar variables and restricted orientations, to investigate the global phase diagram of a coupled system of two nematic subsystems. The free energy and the equations of state are exactly calculated by standard techniques of statistical mechanics. The nematic-isotropic transition temperature of system A increases with both the interaction energy among mesogens of system B, and the two-subsystem coupling J. This enhancement of the nematic phase is manifested in a global phase diagram in terms of the interaction parameters and the temperature T. We make some comments on the connections of these results with experimental findings for a system of diluted ferroelectric nanoparticles embedded in a nematic liquid-crystalline environment.

Un framework per applicazioni di monitoraggio e domotica basato su tecnologie android e arduino

Questa tesi tratta dello sviluppo di un progetto chiamato Faxa e di una sua concreta applicazione nell’ambito della domotica (CasaDomotica). Faxa è un framework per la comunicazione via wireless tra dispositivi che supportano il sistema operativo Android e dispositivi Arduino Ethernet, comunicazione che avviene localmente attraverso il wi-fi. Il progetto si inserisce nel panorama più ampio chiamato “Internet of Things”, ovvero internet delle cose, dove ogni oggetto di uso domestico è collegato ad Internet e può essere quindi manipolato attraverso la rete in modo da realizzare una vera e propria “smart house”; perchè ciò si attui occorre sviluppare applicazioni semplici e alla portata di tutti. Il mio contributo comincia con la realizzazione del framework Faxa, così da fornire un supporto semplice e veloce per comporre programmi per Arduino e Android, sfruttando metodi ad alto livello. Il framework è sviluppato su due fronti: sul lato Android è composto sia da funzioni di alto livello, necessarie ad inviare ordini e messaggi all'Arduino, sia da un demone per Android; sul lato Arduino è composto dalla libreria, per inviare e ricevere messaggi. Per Arduino: sfruttando le librerie Faxa ho redatto un programma chiamato “BroadcastPin”. Questo programma invia costantemente sulla rete i dati dei sensori e controlla se ci sono ordini in ricezione. Il demone chiamato “GetItNow” è una applicazione che lavora costantemente in background. Il suo compito è memorizzare tutti i dati contenuti nei file xml inviati da Arduino. Tali dati corrispondono ai valori dei sensori connessi al dispositivo. I dati sono salvati in un database pubblico, potenzialmente accessibili a tutte le applicazioni presenti sul dispositivo mobile. Sul framework Faxa e grazie al demone “GetItNow” ho implementato “CasaDomotica”, un programma dimostrativo pensato per Android in grado di interoperare con apparecchi elettrici collegati ad un Arduino Ethernet, impiegando un’interfaccia video semplice e veloce. L’utente gestisce l’interfaccia per mezzo di parole chiave, a scelta comandi vocali o digitali, e con essa può accendere e spegnere luci, regolare ventilatori, attuare la rilevazione di temperatura e luminosità degli ambienti o quanto altro sia necessario. Il tutto semplicemente connettendo gli apparecchi all’Arduino e adattando il dispositivo mobile con pochi passi a comunicare con gli elettrodomestici.

Innovative architecture of on-board and on-ground radio systems for space communication

The radio communication system is one of the most critical system of the overall satellite platform: it often represents the only way of communication, between a spacecraft and the Ground Segment or among a constellation of satellites. This thesis focuses on specific innovative architectures for on-board and on-ground radio systems. In particular, this work is an integral part of a space program started in 2004 at the University of Bologna, Forlì campus, which led to the completion of the microsatellite ALMASat-1, successfully launched on-board the VEGA maiden flight. The success of this program led to the development of a second microsatellite, named ALMASat-EO, a three-axis stabilized microsatellite able to capture images of the Earth surface. Therefore, the first objective of this study was focused on the investigation of an innovative, efficient and low cost architecture for on-board radio communication systems. The TT&C system and the high data rate transmitter for images downlink design and realization are thoroughly described in this work, together with the development of the embedded hardware and the adopted antenna systems. Moreover, considering the increasing interest in the development of constellations of microsatellite, in particular those flying in close formations, a careful analysis has been carried out for the development of innovative communication protocols for inter-satellite links. Furthermore, in order to investigate the system aspects of space communications, a study has been carried out at ESOC having as objective the design, implementation and test of two experimental devices for the enhancement of the ESA GS. Thus, a significant portion of this thesis is dedicated to the description of the results of a method for improving the phase stability of GS radio frequency equipments by means of real-time phase compensation and a new way to perform two antennas arraying tracking using already existing ESA tracking stations facilities.

Model driven design for embedded systems

Questo lavoro di tesi si focalizza sulla modellazione di sistemi software in grado far interagire piattaforme elettroniche differenti tra loro.

Connectivity management and dynamic context grouping in mobile heterogenous systems

In the last 10 years the number of mobile devices has grown rapidly. Each person usually brings at least two personal devices and researchers says that in a near future this number could raise up to ten devices per person. Moreover, all the devices are becoming more integrated to our life than in the past, therefore the amount of data exchanged increases accordingly to the improvement of people's lifestyle. This is what researchers call Internet of Things. Thus, in the future there will be more than 60 billions of nodes and the current infrastructure is not ready to keep track of all the exchanges of data between them. Therefore, infrastructure improvements have been proposed in the last years, like MobileIP and HIP in order to facilitate the exchange of packets in mobility, however none of them have been optimized for the purpose. In the last years, researchers from Mid Sweden University created The MediaSense Framework. Initially, this framework was based on the Chord protocol in order to route packets in a big network, but the most important change has been the introduction of PGrids in order to create the Overlay and the persistence. Thanks to this technology, a lookup in the trie takes up to 0.5*log(N), where N is the total number of nodes in the network. This result could be improved by further optimizations on the management of the nodes, for example by the dynamic creation of groups of nodes. Moreover, since the nodes move, an underlaying support for connectivity management is needed. SCTP has been selected as one of the most promising upcoming standards for simultaneous multiple connection's management.

Sistemi integrati per la domotica e per il risparmio energetico tramite micro elaboratori su singola scheda e basso costo.

Nella tesi viene presentata una introduzione generale all'Internet of Things, gli utilizzi che ne vengono fatti attualmente e le eventuali modifiche che verranno apportate in futuro, inoltre vengono presentati i problemi che ne derivano e le soluzioni che attualmente risolvono questi problemi. E' presente una introduzione al protocollo presentato da IBM MQTT che attualmente rappresenta uno standard in questo campo. In seguito vengono mostrati i requisiti e le fasi di progettazione di un sistema domotico, quali sono i suoi principali utilizzi quali i vantaggi e i suoi svantaggi. E' presente una introduzione ai dispositivi maggiormente usati per la realizzazione di sistemi del genere, con le loro caratteristiche, in particolare di dispositivi Arduino e Raspberry Pi. Viene mostrato l'uso del protocollo mqtt per la comunicazione tra dispositivi Raspberry Pi e client Android. In fine viene mostrata una realizzazione di un sistema di domotica attraverso l'uso di questo protocollo.

Prototipo di schermo adattativo basato su Android e Bluetooth Low Energy

La tesi nasce da un'attività di ricerca approfondita su alcune tecnologie innovative e all'avanguardia nell'ambito del mobile computing e dell'Internet of Things. Tra queste il focus principale è orientato allo studio del Bluetooth Low Energy, nuova specifica di Bluetooth caratterizzata principalmente da un consumo di energia assai ridotto. In particolare, si è approfondito il suo funzionamento nel caso dei beacon, piccoli dispositivi che permettono una localizzazione mediante l'invio di un segnale BLE. Inoltre è stata analizzata la possibilità di interazione con Android, poiché oggigiorno non si può evitare di pensare a come queste tecnologie possano interfacciarsi con il mondo degli smartphone e dei tablet. Come conseguenza di tale attività di ricerca è stato analizzato un caso di studio che permettesse di applicare le tecnologie studiate e la loro interazione. Si è pensato quindi a un piccolo sistema distribuito per schermi adattativi (capaci di modificare i contenuti visualizzati in relazione ad eventi esterni) affinché ogni schermo mostrasse dinamicamente l'orario delle lezioni di ciascuno studente all'avvicinarsi di quest'ultimo, e solo per il tempo di permanenza nei pressi dello schermo. Si è quindi progettato e sviluppato un prototipo, e infine durante il testing si sono potute verificare le attuali potenzialità di queste tecnologie e trarre conclusioni sulla possibilità della loro futura diffusione e di impiego in contesti differenti.

Ideazione di sistemi distribuiti collaborativi basati su realta aumentata mobile: Un caso di studio, con approfondimento relativo al livello della cooperazione

Dall'inizio del nuovo millennio lo sviluppo di tecnologie nel campo del mobile computing, della rete internet, lo sviluppo dell'Internet of things e pure il cloud computing hanno reso possibile l'innovazione dei metodi di lavoro e collaborazione. L'evoluzione del mobile computing e della realtà aumentata che sta avvenendo in tempi più recenti apre potenzialmente nuovi orizzonti nello sviluppo di sistemi distribuiti collaborativi. Esistono oggi diversi framework a supporto della realtà aumentata, Wikitude, Metaio, Layar, ma l'interesse primario di queste librerie è quello di fornire una serie di API fondamentali per il rendering di immagini 3D attraverso i dispositivi, per lo studio dello spazio in cui inserire queste immagini e per il riconoscimento di marker. Questo tipo di funzionalità sono state un grande passo per quanto riguarda la Computer Graphics e la realtà aumentata chiaramente, però aprono la strada ad una Augmented Reality(AR) ancora più aumentata. Questa tesi si propone proprio di presentare l'ideazione, l'analisi, la progettazione e la prototipazione di un sistema distribuito situato a supporto della collaborazione basato su realtà aumentata. Lo studio di questa applicazione vuole mettere in luce molti aspetti innovativi e che ancora oggi non sono stati approfonditi né tanto meno sviluppati come API o forniti da librerie riguardo alla realtà aumentata e alle sue possibili applicazioni.