A biosignal embedded system for physiological computing

Thesis submitted in the fulfilment of the requirements for the Degree of Master in Electronic and Telecomunications Engineering

Projecto de execução de estruturas e fundações de uma obra de arte corrente em betão armado e pré-esforçado

Trabalho de Projecto para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil.

Impacto da influência do ar novo na climatização de edifícios

Este trabalho surgiu do âmbito da Tese de Dissertação do Mestrado em Energias Sustentáveis do Instituto Superior de Engenharia do Porto, tendo o acompanhamento dos orientadores da empresa Laboratório Ecotermolab do Instituto de Soldadura e Qualidade e do Instituto Superior de Engenharia do Porto, de forma a garantir a linha traçada indo de acordo aos objectivos propostos. A presente tese abordou o estudo do impacto da influência do ar novo na climatização de edifícios, tendo como base de apoio à análise a simulação dinâmica do edifício em condições reais num programa adequado, acreditado pela norma ASHRAE 140-2004. Este trabalho pretendeu evidenciar qual o impacto da influência do ar novo na climatização de um edifício com a conjugação de vários factores, tais como, ocupação, actividades e padrões de utilização (horários), iluminação e equipamentos, estudando ainda a possibilidade do sistema funcionar em regime de “Free-Cooling”. O princípio partiu fundamentalmente por determinar até que ponto se pode climatizar recorrendo único e exclusivamente à introdução de ar novo em regime de “Free-Cooling”, através de um sistema tudo-ar de Volume de Ar Variável - VAV, sem o apoio de qualquer outro sistema de climatização auxiliar localizado no espaço, respeitando os caudais mínimos impostos pelo RSECE (Decreto-Lei 79/2006). Numa primeira fase foram identificados todos os dados relativos à determinação das cargas térmicas do edifício, tendo em conta todos os factores e contributos alusivos ao valor da carga térmica, tais como a transmissão de calor e seus constituintes, a iluminação, a ventilação, o uso de equipamentos e os níveis de ocupação. Consequentemente foram elaboradas diversas simulações dinâmicas com o recurso ao programa EnergyPlus integrado no DesignBuilder, conjugando variáveis desde as envolventes à própria arquitectura, perfis de utilização ocupacional, equipamentos e taxas de renovação de ar nos diferentes espaços do edifício em estudo. Obtiveram-se vários modelos de forma a promover um estudo comparativo e aprofundado que permitisse determinar o impacto do ar novo na climatização do edifício, perspectivando a capacidade funcional do sistema funcionar em regime de “Free-Cooling”. Deste modo, a análise e comparação dos dados obtidos permitiram chegar às seguintes conclusões: Tendo em consideração que para necessidades de arrefecimento bastante elevadas, o “Free-Cooling” diurno revelou-se pouco eficaz ou quase nulo, para o tipo de clima verificado em Portugal, pois o diferencial de temperatura existente entre o exterior e o interior não é suficiente de modo a tornar possível a remoção das cargas de forma a baixar a temperatura interior para o intervalo de conforto. Em relação ao “Free-Cooling” em horário nocturno ou pós-laboral, este revelou-se bem mais eficiente. Obtiveram-se prestações muito interessantes sobretudo durante as estações de aquecimento e meia-estação, tendo em consideração o facto de existir necessidades de arrefecimento mesmo durante a estação de aquecimento. Referente à ventilação nocturna, isto é, em períodos de madrugada e fecho do edifício, concluiu-se que tal contribui para um abaixamento do calor acumulado durante o dia nos materiais construtivos do edifício e que é libertado ou restituído posteriormente para os espaços em períodos mais tardios. De entre as seguintes variáveis, aumento de caudal de ar novo insuflado e o diferencial de temperatura existente entre o ar exterior e interior, ficou demonstrado que este último teria maior peso contributivo na remoção do calor. Por fim, é ponto assente que de um modo geral, um sistema de climatização será sempre indispensável devido a cargas internas elevadas, requisitos interiores de temperatura e humidade, sendo no entanto aconselhado o “Free- Cooling” como um opção viável a incorporar na solução de climatização, de forma a promover o arrefecimento natural, a redução do consumo energético e a introdução activa de ar novo.

Sistema de controlo de um veículo autónomo terrestre

A crescente necessidade imposta pela gama de aplicações existentes, torna o estudo dos veículos autónomos terrestres um objecto de grande interesse na investigação. A utilização de robots móveis autónomos originou quer um incremento de eficiência e eficácia em inúmeras aplicações como permite a intervenção humana em contextos de elevado risco ou inacessibilidade. Aplicações de monitorização e segurança constituem um foco de utilização deste tipo de sistemas quer pela automatização de procedimentos quer pelos ganhos de eficiência (desde a eficiência de soluções multi-veículo à recolha e detecção de informação). Neste contexto, esta dissertação endereça o problema de concepção, o desenvolvimento e a implementação de um veículo autónomo terrestre, com ênfase na perspectiva de controlo. Este projecto surge pois no âmbito do desenvolvimento de um novo veículo terrestre no Laboratório de Sistemas Autónomos (LSA) do Instituto Superior de Engenharia do Porto (ISEP). É efectuado um levantamento de requisitos do sistema tendo por base a caracterização de aplicações de monitorização, transporte e vigilância em cenários exteriores pouco estruturados. Um estado da arte em veículos autónomos terrestres é apresentado bem como conceitos e tecnologias relevantes para o controlo deste tipo de sistemas. O problema de controlo de locomoção é abordado tendo em particular atenção o controlo de motores DC brushless. Apresenta-se o projecto do sistema de controlo do veículo, desde o controlo de tracção e direcção, ao sistema computacional de bordo responsável pelo controlo e supervisão da missão. A solução adoptada para a implementação mecânica da estrutura do veículo consiste numa plataforma de veículo todo terreno (motociclo 4X4) disponível comercialmente. O projecto e implementação do sistema de controlo de direcção para o mesmo é apresentado quer sob o ponto de vista da solução electromecânica, quer pelo subsistema de hardware de controlo embebido e respectivo software. Tendo em vista o controlo de tracção são apresentadas duas soluções. Uma passando pelo estudo e desenvolvimento de um sistema de raiz capaz de controlar motores BLDC de elevada potência, a segunda passando pela utilização de uma solução através de um controlador externo. A gestão energética do sistema é abordada através do projecto e implementação de um sistema de controlo e distribuição de energia específico. A implementação do veículo foi alcançada nas suas vertentes mecânica, de hardware e software, envolvendo a integração dos subsistemas projectados especialmente bem como a implementação do sistema computacional de bordo. São apresentados resultados de validação do controlo de locomoção básico quer em simulação quer descritos os testes e validações efectuados no veículo real. No presente trabalho, são também tiradas algumas conclusões sobre o desenvolvimento do sistema e sua implementação bem como perspectivada a sua evolução futura no contexto de missões coordenadas de múltiplos veículos robóticos.

Coordenação de veículo de inspecção subaquática com veículo de superfície autónomo

O LSA/ISEP(Laboratório de sistemas Autónomos do Instituto Superior de Engenharia do Porto) tem vindo nos últimos anos a desenvolver sistemas robóticos inovadores para operação em ambiente marinho sendo o veículo de superfície autónomo ROAZ II um exemplo de renome internacional. Neste contexto, e tendo em vista a satisfação dos requisitos parciais conducentes à obtenção do grau de Mestre em Eng. Electrotécnica e de Computadores - Ramo de Sistemas Autónomos do ISEP, o presente trabalho visou a integração de um robô submarino operado remotamente (ROV) com o robô de superfície ROAZ II. Esta solução inovadora de operação coordenada e integrada de um ASV/ROV permite dotar o ASV de mobilidade e visão subaquática. Após a caracterização e análise de requisitos de diversos cenários operacionais foi apresentada uma arquitectura de controlo coordenado dos dois veículos baseada em manobras de controlo descritas por autómatos híbridos. Os dois veículos foram modelados e as manobras coordenadas projectadas foram validadas com um simulador em ambiente Matlab/Simulink. Foi desenvolvido um sistema de localização relativa do ROV através da fusão sensorial de um sistema INS com um sistema acústico USBL utilizando um filtro EKF. O veículo ROV (VideoRay) do LSA foi instrumentado com os sensores necessários e efectuada a integração de hardware e software com o ASV ROAZ II permitindo a operação remota. Foi realizada uma missão demonstrativa de inspecção de pilares subaquáticos em cenário real com a operação conjunta dos dois robôs.

Ventiladores pulmonares – Seleção, aquisição e confiabilidade metrológica

A saúde em Portugal vive hoje mudanças significativas. A criação de modelos de Gestão Empresarial em instituições públicas visa a melhor qualidade ao menor custo. A aquisição de equipamento médico, cada vez mais sofisticado, exige das instituições esforços redobrados. A necessidade de redução dos custos acoplada à necessidade de aquisição de tecnologias cada vez mais avançadas exige que as instituições tomem mediadas mais rigorosas para melhorar o processo de aquisição. É importante estabelecer desde o início de um processo de aquisição, as exatas necessidades da instituição, com um conjunto de especificações bem detalhado do produto a adquirir bem como um conjunto exigências que devem ser feitas perante os fornecedores que salvaguardem a instituição. O conhecimento do equipamento a adquirir facilita todo o processo. Assim é de extrema importância garantir o estudo bastante alargado do equipamento, permitindo à instituição uma melhor avaliação do equipamento, aquando da seleção do mesmo. A garantia da confiabilidade metrológica é outro ponto muito importante a ter em conta no processo, uma vez que o sucesso dos cuidados de saúde parte da confiança e segurança que transmitem aos seus utentes. O objetivo deste trabalho é o estudo de Ventiladores Pulmonares (VP) focando essencialmente na seleção e aquisição destes equipamentos. Neste estudo faz-se também um estudo dos procedimentos de avaliação da confiabilidade metrológica dos VP, tendo em vista a definição dos testes de verificação a serem efetuados ao longo do processo de aquisição. É normalizado o Caderno de Encargos (CE) e respetivas especificações/requisitos técnicos, tentando comprar de acordo com as reais necessidades da instituição, visando o menor desperdício e garantido a melhor qualidade.

Contribuição da fluorescência de Raios–X na avaliação e modelação de georrecursos

O presente estudo diz respeito a um trabalho de pesquisa no âmbito de uma Tese de Mestrado compreendida no segundo ciclo de estudos do curso de Engenharia Geotécnica e Geoambiente, realizado sobre a contribuição da Fluorescência de Raios – X (FRX) no Zonamento de Georrecursos, com particular ênfase para a utilização do instrumento portátil e de ferramentas tecnológicas de vanguarda, indispensáveis à prospecção e exploração dos recursos minerais, designadamente na interpretação e integração de dados de natureza geológica e na modelação de métodos de exploração e processamento /tratamento de depósitos minerais, assim como do respectivo controlo. Esta dissertação discute os aspectos fundamentais da utilização da técnica de Fluorescência de Raios-X (portátil, FRXP), quanto à sua possibilidade de aplicação e metodologia exigida, com vista à definição de zonas com características químicas análogas do georrecurso e que preencham as exigências especificadas para a utilização da matéria-prima, nas indústrias consumidoras. Foi elaborada uma campanha de recolha de amostras de calcário proveniente da pedreira do Sangardão, em Condeixa–a–Nova, que numa primeira fase teve como objectivo principal a identificação da composição química da área em estudo e o grau de precisão do aparelho portátil de FRX. Para além desta análise foram, também, realizadas análises granulométricas por peneiração e sedimentação por Raios-X a amostras provenientes das bacias de sedimentação e do material passado no filtro prensa. Validado o método de análise por FRXP, realizou-se uma segunda fase deste trabalho, que consistiu na elaboração de uma amostragem bastante significativa de pontos, onde se realizaram análises por FRXP, de forma a obter uma maior cobertura química da área em estudo e localizar os locais chave de exploração da matéria-prima. Para uma correcta leitura dos dados analisados recorreu-se a ferramentas aliadas às novas tecnologias, as quais se mostraram um importante contributo para uma boa gestão do georrecurso em avaliação, nomeadamente o “XLSTAT” e o “Surfer” para tratamento estatístico dos dados e modelação, respectivamente.

Gestão de projectos no âmbito da construção sustentável

A indústria da construção, nomeadamente no sector da edificação, baseia-se essencialmente em métodos de construção tradicional. Esta indústria é caracterizada pelo consumo excessivo de matérias-primas, de recursos energéticos não renováveis e pela elevada produção de resíduos. Esta realidade é de todo incompatível com os desígnios do desenvolvimento sustentável, nos quais se procura a conveniência harmoniosa entre as dimensões ambiental, social e económica. O desafio da sustentabilidade, colocado à actividade da construção, tem motivado abordagens distintas, não só por parte das várias especialidades da engenharia, como também da arquitectura. É nesta perspectiva, que o presente modelo pretende ser um contributo para uma abordagem inovadora, introduzindo linhas de intervenção e de orientação, para apoiar e estimular o desenvolvimento de soluções sustentáveis em edifícios habitacionais, em qualquer fase do ciclo de evolução de um projecto e das várias especialidades do mesmo. Assim, no sentido de optimizar os recursos envolvidos no projecto são expostas estratégias de intervenção, com os seguintes objectivos: optimização do potencial do local, preservação da identidade regional e cultural, minimização do consumo de energia, utilização de materiais e produtos de baixo impacto ambiental, redução do consumo de água, redução da produção de emissões, resíduos e outros poluentes, adequada qualidade do ambiente interior e optimização das fases de operação e manutenção. A ferramenta apresentada surge como um instrumento facilitador para a equipa de projectistas, e que se esta adaptada para o desenvolvimento de projectos de edifícios de habitação, dada a génese dos métodos utilizados. As soluções de sustentabilidade apresentadas neste manual emanam dos sistemas de certificação LíderA, LEED, BREEAM e SBToolpt. O modelo encontra-se estruturado, no que às fases de projecto diz respeito, de acordo com os requisitos expressos na Portaria 701-H/2008 de 29 de Julho, tendo sido igualmente seguido o descrito para os respectivos intervenientes.

O impacto da implementação do Basel III no capital dos bancos portugueses

Este trabalho é uma análise dos efeitos da implementação das últimas recomendações do Basel Committee on Banking Supervision (BCBS) também conhecidas como o Basel III de 2010 que deverão ser faseadamente implementadas desde 1 de Janeiro de 2013 até 1 de Janeiro de 2019, no capital próprio dos bancos Portugueses. Neste trabalho assume-se que os ativos pesados pelo risco de 2012 mantêm-se constantes e o capital terá de ser aumentado segundo as recomendações ano após ano até ao fim de 2018. Com esta análise, pretende-se entender o nível de robustez do capital próprio dos bancos Portugueses e se os mesmos têm capital e reservas suficientes para satisfazer as recomendações de capital mínimo sugeridas pelo BCBS ou caso contrário, se necessitarão de novas injeções de capital ou terão de reduzir a sua atividade económica. O Basel III ainda não foi implementado em Portugal, pois a União Europeia está no processo de desenvolvimento e implementação do Credit Requirement Directive IV (CRD IV) que é uma recomendação que todos os bancos centrais dos países da zona Euro deverão impor aos respetivos bancos. Esta diretiva da União Europeia é baseada totalmente nas recomendações do Basel III e deverá ser implementada em 2014 ou nos anos seguintes. Até agora, os bancos Portugueses seguem um sistema com base no aviso 6/2010 do Banco de Portugal que recomenda o cálculo dos rácios core tier 1, tier 1 e tier 2 usando o método notações internas (IRB) de avaliação da exposição do banco aos riscos de crédito, operacional, etc. e onde os ativos ponderados pelo risco são calculados como 12,5 vezes o valor dos requisitos totais de fundos calculados pelo banco. Este método é baseado nas recomendações do Basel II que serão substituídas pelo Basel III. Dado que um dos principais motivos para a crise económica e financeira que assolou o mundo em 2007 foi a acumulação de alavancagem excessiva e gradual erosão da qualidade da base do capital próprio dos bancos, é importante analisar a posição dos bancos Portugueses, que embora não sejam muito grandes a nível global, controlam a economia do país. Espera-se que com a implementação das recomendações do Basel III não haja no futuro uma repetição dos choques sistémicos de 2007. Os resultados deste estudo usando o método padrão recomendado pelo BCBS mostram que de catorze bancos Portugueses incluídos neste estudo, apenas seis (BES, Montepio, Finantia, BIG, Invest e BIC) conseguem enquadrar nas recomendações mínimas do Basel III até 1-1- 2019 e alguns outros estão marginalmente abaixo dos rácios mínimos (CGD, Itaú e Crédito Agrícola).

A remote virtual experiment in mechanical engineering

Conferência: 2nd Experiment at International Conference (Exp at)- Univ Coimbra, Coimbra, Portugal - Sep 18-20, 2013

Desenvolvimento de uma ferramenta para cálculo de estruturas em material compósito

Os desafios à engenharia moderna são cada vez maiores, pretendendo-se quase sempre obter estruturas mais leves, com propriedades mecânicas atrativas e muitas vezes com geometrias complexas. Com tais requisitos, um dos materiais que tem vindo a ter uma crescente aplicação é o material compósito. Contudo, no que toca ao cálculo estrutural destes materiais, tudo se torna mais complexo, já que são materiais que geralmente são formados por empilhamento de várias camadas de material heterogéneo, podendo estas encontrarem-se dispostas segundo diferentes orientações. Assim, a utilização de um software que permita a previsão das propriedades mecânicas de uma estrutura em material compósito através da micromecânica, a aplicação da Teoria Clássica dos Laminados e de um critério de rotura, como por exemplo o de Tsai-Hill, é fundamental para agilizar o processo de estudo da estrutura a fabricar. Para dar uma resposta a tal necessidade foi desenvolvida uma aplicação, em MATLAB® GUI, denominada CAFE – Composite Analysis For Engineers, com ambiente gráfico apelativo, que permite determinar todas as variáveis importantes no estudo de estruturas em material compósito. Esta aplicação visa suportar e agilizar a aprendizagem desta área do conhecimento, permitindo também o acesso ao código de cálculo por parte do utilizador, de modo a conhecerem-se as equações utilizadas e, eventualmente, ser alvo de futuros desenvolvimentos. O programa desenvolvido foi alvo de validação, recorrendo-se para tal, a uma comparação dos resultados obtidos entre o respetivo programa e por um outro programa de grande fiabilidade. Assim sendo, concluiu-se que o software CAFE apresenta resultados válidos, encontrando-se apto a ser utilizado.

IEEE 802.15.4 for wireless sensor networks: a technical overview

Low-rate low-power consumption and low-cost communication are the key points that lead to the specification of the IEEE 802.15.4 standard. This paper overviews the technical features of the physical layer and the medium access control sublayer mechanisms of the IEEE 802.15.4 protocol that are most relevant for wireless sensor network applications. We also discuss the ability of IEEE 802.15.4 to fulfil the requirements of wireless sensor network applications.

Run-time monitoring in real-time operating systems

Embedded systems are increasingly complex and dynamic, imposing progressively higher developing time and costs. Tuning a particular system for deployment is thus becoming more demanding. Furthermore when considering systems which have to adapt themselves to evolving requirements and changing service requests. In this perspective, run-time monitoring of the system behaviour becomes an important requirement, allowing to dynamically capturing the actual scheduling progress and resource utilization. For this to succeed, operating systems need to expose their internal behaviour and state, making it available to external applications, and a runtime monitoring mechanism must be available. However, such mechanism can impose a burden in the system itself if not wisely used. In this paper we explore this problem and propose a framework, which is intended to provide this run-time mechanism whilst achieving code separation, run-time efficiency and flexibility for the final developer.

Engineering hybrid wired/wireless fieldbus networks - a case study

Advances in networking and information technologies are transforming factory-floor communication systems into a mainstream activity within industrial automation. It is now recognized that future industrial computer systems will be intimately tied to real-time computing and to communication technologies. For this vision to succeed, complex heterogeneous factory-floor communication networks (including mobile/wireless components) need to function in a predictable, flawless, efficient and interoperable way. In this paper we re-visit the issue of supporting real-time communications in hybrid wired/wireless fieldbus-based networks, bringing into it some experimental results obtained in the framework of the RFieldbus ISEP pilot.

Position paper on time and event-triggered communication services in the context of e-manufacturing

Modern factories are complex systems where advances in networking and information technologies are opening new ways towards higher efficiency. Such move is being driven by market rules with ever-increasing competition levels, in search for faster time-to-market, improved process yield, non-stop operations, flexible manufacturing and tighter supply-chain coupling. All these aims present a common requirement, i.e. a realtime flow of information, from the plant-floor up to the management, maintenance, suppliers and clients, to support accurate monitoring and control of the factory. This stresses the importance achieved by the communication infrastructure in modern manufacturing industry. This paper presents the authors view concerning the current trends in modern factory communication systems. It addresses the problems of seamlessly integrating different information flows with diverse requirements, mainly in terms of timeliness. In this aspect, the debate between event-triggered and time-triggered communication is revisited as well as the joint support for both types of traffic. Finally, a view of where factory communication systems are moving to is also presented, showing the impact of open and widely available technologies.