Progetto ed implementazione di protocolli a basso consumo energetico per reti wireless

"I computer del nuovo millennio saranno sempre più invisibili, o meglio embedded, incorporati agli oggetti, ai mobili, anche al nostro corpo. L'intelligenza elettronica sviluppata su silicio diventerà sempre più diffusa e ubiqua. Sarà come un'orchestra di oggetti interattivi, non invasivi e dalla presenza discreta, ovunque". [Mark Weiser, 1991] La visione dell'ubiquitous computing, prevista da Weiser, è ormai molto vicina alla realtà e anticipa una rivoluzione tecnologica nella quale l'elaborazione di dati ha assunto un ruolo sempre più dominante nella nostra vita quotidiana. La rivoluzione porta non solo a vedere l'elaborazione di dati come un'operazione che si può compiere attraverso un computer desktop, legato quindi ad una postazione fissa, ma soprattutto a considerare l'uso della tecnologia come qualcosa di necessario in ogni occasione, in ogni luogo e la diffusione della miniaturizzazione dei dispositivi elettronici e delle tecnologie di comunicazione wireless ha contribuito notevolmente alla realizzazione di questo scenario. La possibilità di avere a disposizione nei luoghi più impensabili sistemi elettronici di piccole dimensioni e autoalimentati ha contribuito allo sviluppo di nuove applicazioni, tra le quali troviamo le WSN (Wireless Sensor Network), ovvero reti formate da dispositivi in grado di monitorare qualsiasi grandezza naturale misurabile e inviare i dati verso sistemi in grado di elaborare e immagazzinare le informazioni raccolte. La novità introdotta dalle reti WSN è rappresentata dalla possibilità di effettuare monitoraggi con continuità delle più diverse grandezze fisiche, il che ha consentito a questa nuova tecnologia l'accesso ad un mercato che prevede una vastità di scenari indefinita. Osservazioni estese sia nello spazio che nel tempo possono essere inoltre utili per poter ricavare informazioni sull'andamento di fenomeni naturali che, se monitorati saltuariamente, non fornirebbero alcuna informazione interessante. Tra i casi d'interesse più rilevanti si possono evidenziare: - segnalazione di emergenze (terremoti, inondazioni) - monitoraggio di parametri difficilmente accessibili all'uomo (frane, ghiacciai) - smart cities (analisi e controllo di illuminazione pubblica, traffico, inquinamento, contatori gas e luce) - monitoraggio di parametri utili al miglioramento di attività produttive (agricoltura intelligente, monitoraggio consumi) - sorveglianza (controllo accessi ad aree riservate, rilevamento della presenza dell'uomo) Il vantaggio rappresentato da un basso consumo energetico, e di conseguenza un tempo di vita della rete elevato, ha come controparte il non elevato range di copertura wireless, valutato nell'ordine delle decine di metri secondo lo standard IEEE 802.15.4. Il monitoraggio di un'area di grandi dimensioni richiede quindi la disposizione di nodi intermedi aventi le funzioni di un router, il cui compito sarà quello di inoltrare i dati ricevuti verso il coordinatore della rete. Il tempo di vita dei nodi intermedi è di notevole importanza perché, in caso di spegnimento, parte delle informazioni raccolte non raggiungerebbero il coordinatore e quindi non verrebbero immagazzinate e analizzate dall'uomo o dai sistemi di controllo. Lo scopo di questa trattazione è la creazione di un protocollo di comunicazione che preveda meccanismi di routing orientati alla ricerca del massimo tempo di vita della rete. Nel capitolo 1 vengono introdotte le WSN descrivendo caratteristiche generali, applicazioni, struttura della rete e architettura hardware richiesta. Nel capitolo 2 viene illustrato l'ambiente di sviluppo del progetto, analizzando le piattaforme hardware, firmware e software sulle quali ci appoggeremo per realizzare il progetto. Verranno descritti anche alcuni strumenti utili per effettuare la programmazione e il debug della rete. Nel capitolo 3 si descrivono i requisiti di progetto e si realizza una mappatura dell'architettura finale. Nel capitolo 4 si sviluppa il protocollo di routing, analizzando i consumi e motivando le scelte progettuali. Nel capitolo 5 vengono presentate le interfacce grafiche utilizzate utili per l'analisi dei dati. Nel capitolo 6 vengono esposti i risultati sperimentali dell'implementazione fissando come obiettivo il massimo lifetime della rete.

Applicazioni di tecnologie IoT e wearable alla domotica: un caso di studio

Oggigiorno milioni di persone fanno uso di Internet per gli utilizzi più disparati: dalla ricerca di informazioni sul Web al gioco online; dall'invio e ricezione di email all'uso di applicazioni social e tante altre attività. Mentre milioni di dispositivi ci offrono queste possibilità, un grande passo in avanti sta avvenendo in relazione all'uso di Internet come una piattaforma globale che permetta a oggetti di tutti i giorni di coordinarsi e comunicare tra di loro. È in quest'ottica che nasce Internet of Things, l'Internet delle cose, dove un piccolo oggetto come un braccialetto può avere un grande impatto nel campo medico per il monitoraggio da remoto di parametri vitali o per la localizzazione di pazienti e personale e l'effettuazione di diagnosi da remoto; dove un semplice sensore ad infrarosso può allertarci a distanza di una presenza non autorizzata all'interno della nostra abitazione; dove un'autovettura è in grado di leggere i dati dai sensori distribuiti sulla strada. Questa tesi vuole ripercorrere gli aspetti fondamentali di Internet of Things, dai sistemi embedded fino alla loro applicazione nella vita odierna, illustrando infine un progetto che mostra come alcune tecnologie IoT e wearable possano integrarsi nella domotica, come per esempio l'utilizzo di uno smartwatch, come Apple Watch, per il controllo dell'abitazione.

Integration of Internet of Things and Cloud computing. A case study on vital signs monitoring.

Il progresso scientifico e le innovazioni tecnologiche nei campi dell'elettronica, informatica e telecomunicazioni, stanno aprendo la strada a nuove visioni e concetti. L'obiettivo della tesi è quello d'introdurre il modello del Cloud computing per rendere possibile l'attuale visione di Internet of Thing. Nel primo capitolo si introduce Ubiquitous computing come un nuovo modo di vedere i computer, cercando di fare chiarezza sulla sua definizione, la sua nascita e fornendo un breve quadro storico. Nel secondo capitolo viene presentata la visione di Internet of Thing (Internet delle “cose”) che si avvale di concetti e di problematiche in parte già considerate con Ubiquitous computing. Internet of Thing è una visione in cui la rete Internet viene estesa agli oggetti di tutti i giorni. Tracciare la posizione degli oggetti, monitorare pazienti da remoto, rilevare dati ambientali sono solo alcuni esempi. Per realizzare questo tipo di applicazioni le tecnologie wireless sono da considerare necessarie, sebbene questa visione non assuma nessuna specifica tecnologia di comunicazione. Inoltre, anche schede di sviluppo possono agevolare la prototipazione di tali applicazioni. Nel terzo capitolo si presenta Cloud computing come modello di business per utilizzare su richiesta risorse computazionali. Nel capitolo, vengono inizialmente descritte le caratteristiche principali e i vari tipi di modelli di servizio, poi viene argomentato il ruolo che i servizi di Cloud hanno per Internet of Thing. Questo modello permette di accelerare lo sviluppo e la distribuzione di applicazioni di Internet of Thing, mettendo a disposizione capacità di storage e di calcolo per l'elaborazione distribuita dell'enorme quantità di dati prodotta da sensori e dispositivi vari. Infine, nell'ultimo capitolo viene considerato, come esempio pratico, l'integrazione di tecnologie di Cloud computing in una applicazione IoT. Il caso di studio riguarda il monitoraggio remoto dei parametri vitali, considerando Raspberry Pi e la piattaforma e-Health sviluppata da Cooking Hacks per lo sviluppo di un sistema embedded, e utilizzando PubNub come servizio di Cloud per distribuire i dati ottenuti dai sensori. Il caso di studio metterà in evidenza sia i vantaggi sia le eventuali problematiche che possono scaturire utilizzando servizi di Cloud in applicazioni IoT.

GreenDisc: a HW/SW energy optimization framework in globally distributed computation

In recent future, wireless sensor networks ({WSNs}) will experience a broad high-scale deployment (millions of nodes in the national area) with multiple information sources per node, and with very specific requirements for signal processing. In parallel, the broad range deployment of {WSNs} facilitates the definition and execution of ambitious studies, with a large input data set and high computational complexity. These computation resources, very often heterogeneous and driven on-demand, can only be satisfied by high-performance Data Centers ({DCs}). The high economical and environmental impact of the energy consumption in {DCs} requires aggressive energy optimization policies. These policies have been already detected but not successfully proposed. In this context, this paper shows the following on-going research lines and obtained results. In the field of {WSNs}: energy optimization in the processing nodes from different abstraction levels, including reconfigurable application specific architectures, efficient customization of the memory hierarchy, energy-aware management of the wireless interface, and design automation for signal processing applications. In the field of {DCs}: energy-optimal workload assignment policies in heterogeneous {DCs}, resource management policies with energy consciousness, and efficient cooling mechanisms that will cooperate in the minimization of the electricity bill of the DCs that process the data provided by the WSNs.

BatNet: a 6LoWPAN-based sensors and actuators network

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

Integración de Fuentes con Información de Contexto y Sistemas Interactivos

Durante el transcurso de esta Tesis Doctoral se ha realizado un estudio de la problemática asociada al desarrollo de sistemas de interacción hombre-máquina sensibles al contexto. Este problema se enmarca dentro de dos áreas de investigación: los sistemas interactivos y las fuentes de información contextual. Tradicionalmente la integración entre ambos campos se desarrollaba a través de soluciones verticales específicas, que abstraen a los sistemas interactivos de conocer los procedimientos de bajo nivel de acceso a la información contextual, pero limitan su interoperabilidad con otras aplicaciones y fuentes de información. Para solventar esta limitación se hace imprescindible potenciar soluciones interoperables que permitan acceder a la información del mundo real a través de procedimientos homogéneos. Esta problemática coincide perfectamente con los escenarios de \Computación Ubicua" e \Internet de las Cosas", donde se apunta a un futuro en el que los objetos que nos rodean serán capaces de obtener información del entorno y comunicarla a otros objetos y personas. Los sistemas interactivos, al ser capaces de obtener información de su entorno a través de la interacción con el usuario, pueden tomar un papel especial en este escenario tanto como consumidores como productores de información. En esta Tesis se ha abordado la integración de ambos campos teniendo en cuenta este escenario tecnológico. Para ello, en primer lugar se ha realizado un an álisis de las iniciativas más importantes para la definición y diseño de sistemas interactivos, y de las principales infraestructuras de suministro de información. Mediante este estudio se ha propuesto utilizar el lenguaje SCXML del W3C para el diseño de los sistemas interactivos y el procesamiento de los datos proporcionados por fuentes de contexto. Así, se ha reflejado cómo las capacidades del lenguaje SCXML para combinar información de diferentes modalidades pueden también utilizarse para procesar e integrar información contextual de diferentes fuentes heterogéneas, y por consiguiente diseñar sistemas de interacción sensibles al contexto. Del mismo modo se presenta a la iniciativa Sensor Web, y a su extensión semántica Semantic Sensor Web, como una iniciativa idónea para permitir un acceso y suministro homogéneo de la información a los sistemas interactivos sensibles al contexto. Posteriormente se han analizado los retos que plantea la integración de ambos tipos de iniciativas. Como resultado se ha conseguido establecer una serie de funcionalidades que son necesarias implementar para llevar a cabo esta integración. Utilizando tecnologías que aportan una gran flexibilidad al proceso de implementación y que se apoyan en recomendaciones y estándares actuales, se implementaron una serie de desarrollos experimentales que integraban las funcionalidades identificadas anteriormente. Finalmente, con el fin de validar nuestra propuesta, se realizaron un conjunto de experimentos sobre un entorno de experimentación que simula el escenario de la conducción. En este escenario un sistema interactivo se comunica con una extensión semántica de una plataforma basada en los estándares de la Sensor Web para poder obtener información y publicar las observaciones que el usuario realizaba al sistema. Los resultados obtenidos han demostrado la viabilidad de utilizar el lenguaje SCXML para el diseño de sistemas interactivos sensibles al contexto que requieren acceder a plataformas avanzadas de información para consumir y publicar información a la vez que interaccionan con el usuario. Del mismo modo, se ha demostrado cómo la utilización de tecnologías semánticas en los procesos de consulta y publicación de información puede facilitar la reutilización de la información publicada en infraestructuras Sensor Web por cualquier tipo de aplicación, y de este modo contribuir al futuro escenario de Internet de las Cosas. ABSTRACT In this Thesis, we have addressed the difficulties related to the development of context-aware human-machine interaction systems. This issue is part of two research fields: interactive systems and contextual information sources. Traditionally both fields have been integrated through domain-specific vertical solutions that allow interactive systems to access contextual information without having to deal with low-level procedures, but restricting their interoperability with other applications and heterogeneous data sources. Thus, it is essential to boost the research on interoperable solutions that provide access to real world information through homogeneous procedures. This issue perfectly matches with the scenarios of \Ubiquitous Computing" and \Internet of Things", which point toward a future in which many objects around us will be able to acquire meaningful information about the environment and communicate it to other objects and to people. Since interactive systems are able to get information from their environment through interaction with the user, they can play an important role in this scenario as they can both consume real-world data and produce enriched information. This Thesis deals with the integration of both fields considering this technological scenario. In order to do this, we first carried out an analysis of the most important initiatives for the definition and design of interactive systems, and the main infrastructures for providing information. Through this study the use of the W3C SCXML language is proposed for both the design of interactive systems and the processing of data provided by different context sources. Thus, this work has shown how the SCXML capabilities for combining information from different modalities can also be used to process and integrate contextual information from different heterogeneous sensor sources, and therefore to develope context-aware interaction systems. Similarly, we present the Sensor Web initiative, and its semantic extension Semantic Sensor Web, as an appropriate initiative to allow uniform access and delivery of information to the context-aware interactive systems. Subsequently we have analyzed the challenges of integrating both types of initiatives: SCXML and (Semantic) Sensor Web. As a result, we state a number of functionalities that are necessary to implement in order to perform this integration. By using technologies that provide exibility to the implementation process and are based on current recommendations and standards, we implemented a series of experimental developments that integrate the identified functionalities. Finally, in order to validate our approach, we conducted different experiments with a testing environment simulating a driving scenario. In this framework an interactive system can access a semantic extension of a Telco plataform, based on the standards of the Sensor Web, to acquire contextual information and publish observations that the user performed to the system. The results showed the feasibility of using the SCXML language for designing context-aware interactive systems that require access to advanced sensor platforms for consuming and publishing information while interacting with the user. In the same way, it was shown how the use of semantic technologies in the processes of querying and publication sensor data can assist in reusing and sharing the information published by any application in Sensor Web infrastructures, and thus contribute to realize the future scenario of \Internet of Things".

A Computational Method based on Radio Frequency Technologies for the Analysis of Accessibility of Disabled People in Sustainable Cities

The sustainability strategy in urban spaces arises from reflecting on how to achieve a more habitable city and is materialized in a series of sustainable transformations aimed at humanizing different environments so that they can be used and enjoyed by everyone without exception and regardless of their ability. Modern communication technologies allow new opportunities to analyze efficiency in the use of urban spaces from several points of view: adequacy of facilities, usability, and social integration capabilities. The research presented in this paper proposes a method to perform an analysis of movement accessibility in sustainable cities based on radio frequency technologies and the ubiquitous computing possibilities of the new Internet of Things paradigm. The proposal can be deployed in both indoor and outdoor environments to check specific locations of a city. Finally, a case study in a controlled context has been simulated to validate the proposal as a pre-deployment step in urban environments.

Bridging technical and HCI research: Creating usable ubiquitous computing

This paper describes methods used to support collaboration and communication between practitioners, designers and engineers when designing ubiquitous computing systems. We tested methods such as “Wizard of Oz” and design games in a real domain, the dental surgery, in an attempt to create a system that is: affordable; minimally disruptive of the natural flow of work; and improves human-computer interaction. In doing so we found that such activities allowed the practitioners to be on a ‘level playing ground’ with designers and engineers. The findings we present suggest that dentists are willing to engage in detailed exploration and constructive critique of technical design possibilities if the design ideas and prototypes are presented in the context of their work practice and are of a resolution and relevance that allow them to jointly explore and question with the design time. This paper is an extension of a short paper submitted to the Participatory Design Conference, 2004.

Shaken not stirred:mixing semantics into XPDL

Ubiquitous computing requires lightweight approaches to coordinating tasks distributed across smart devices. We are currently developing a semantic workflow modelling approach that blends the proven robustness of XPDL with semantics to support proactive behaviour. We illustrate the potential of the model through an example based on mixing a dry martini.

Mobile bluetooth-based multi-player game development in ubiquitous computing

This paper describes the use of Bluetooth and Java-Based technologies in developing a multi-player mobile game in ubiquitous computing, which strongly depends on automatic contextual reconfiguration and context-triggered actions. Our investigation focuses on an extended form of ubiquitous computing which game software developers utilize to develop games for players. We have developed an experimental ubiquitous computing application that provides context-aware services to game server and game players in a mobile distributed computing system. Obviously, contextual services provide useful information in a context-aware system. However, designing a context-aware game is still a daunting task and much theoretical and practical research remains to be done to reach the ubiquitous computing era. In this paper, we present the overall architecture and discuss, in detail, the implementation steps taken to create a Bluetooth and Java based context-aware game. We develop a multi-player game server and prepare the client and server codes in ubiquitous computing, providing adaptive routines to handle connection information requests, logging and context formatting and delivery for automatic contextual reconfiguration and context-triggered actions. © 2010 Binary Information Press.

VHITS: Vertical handoff initiation and target selection in a heterogeneous wireless network

Global connectivity, for anyone, at anyplace, at anytime, to provide high-speed, high-quality, and reliable communication channels for mobile devices, is now becoming a reality. The credit mainly goes to the recent technological advances in wireless communications comprised of a wide range of technologies, services, and applications to fulfill the particular needs of end-users in different deployment scenarios (Wi-Fi, WiMAX, and 3G/4G cellular systems). In such a heterogeneous wireless environment, one of the key ingredients to provide efficient ubiquitous computing with guaranteed quality and continuity of service is the design of intelligent handoff algorithms. Traditional single-metric handoff decision algorithms, such as Received Signal Strength (RSS) based, are not efficient and intelligent enough to minimize the number of unnecessary handoffs, decision delays, and call-dropping and/or blocking probabilities. This research presented a novel approach for the design and implementation of a multi-criteria vertical handoff algorithm for heterogeneous wireless networks. Several parallel Fuzzy Logic Controllers were utilized in combination with different types of ranking algorithms and metric weighting schemes to implement two major modules: the first module estimated the necessity of handoff, and the other module was developed to select the best network as the target of handoff. Simulations based on different traffic classes, utilizing various types of wireless networks were carried out by implementing a wireless test-bed inspired by the concept of Rudimentary Network Emulator (RUNE). Simulation results indicated that the proposed scheme provided better performance in terms of minimizing the unnecessary handoffs, call dropping, and call blocking and handoff blocking probabilities. When subjected to Conversational traffic and compared against the RSS-based reference algorithm, the proposed scheme, utilizing the FTOPSIS ranking algorithm, was able to reduce the average outage probability of MSs moving with high speeds by 17%, new call blocking probability by 22%, the handoff blocking probability by 16%, and the average handoff rate by 40%. The significant reduction in the resulted handoff rate provides MS with efficient power consumption, and more available battery life. These percentages indicated a higher probability of guaranteed session continuity and quality of the currently utilized service, resulting in higher user satisfaction levels.

Studying Recommender Systems to Enhance Distributed Computing Schedulers

Distributed Computing frameworks belong to a class of programming models that allow developers to

launch workloads on large clusters of machines. Due to the dramatic increase in the volume of

data gathered by ubiquitous computing devices, data analytic workloads have become a common

case among distributed computing applications, making Data Science an entire field of

Computer Science. We argue that Data Scientist's concern lays in three main components: a dataset,

a sequence of operations they wish to apply on this dataset, and some constraint they may have

related to their work (performances, QoS, budget, etc). However, it is actually extremely

difficult, without domain expertise, to perform data science. One need to select the right amount

and type of resources, pick up a framework, and configure it. Also, users are often running their

application in shared environments, ruled by schedulers expecting them to specify precisely their resource

needs. Inherent to the distributed and concurrent nature of the cited frameworks, monitoring and

profiling are hard, high dimensional problems that block users from making the right

configuration choices and determining the right amount of resources they need. Paradoxically, the

system is gathering a large amount of monitoring data at runtime, which remains unused.

In the ideal abstraction we envision for data scientists, the system is adaptive, able to exploit

monitoring data to learn about workloads, and process user requests into a tailored execution

context. In this work, we study different techniques that have been used to make steps toward

such system awareness, and explore a new way to do so by implementing machine learning

techniques to recommend a specific subset of system configurations for Apache Spark applications.

Furthermore, we present an in depth study of Apache Spark executors configuration, which highlight

the complexity in choosing the best one for a given workload.