A novel methodology for planning reliable wireless sensor networks

Wireless sensor networks (WSNs) have shown their potentials in various applications, which bring a lot of benefits to users from both research and industrial areas. For many setups, it is envisioned thatWSNs will consist of tens to hundreds of nodes that operate on small batteries. However due to the diversity of the deployed environments and resource constraints on radio communication, sensing ability and energy supply, it is a very challenging issue to plan optimized WSN topology and predict its performance before real deployment. During the network planning phase, the connectivity, coverage, cost, network longevity and service quality should all be considered. Therefore it requires designers coping with comprehensive and interdisciplinary knowledge, including networking, radio engineering, embedded system and so on, in order to efficiently construct a reliable WSN for any specific types of environment. Nowadays there is still a lack of the analysis and experiences to guide WSN designers to efficiently construct WSN topology successfully without many trials. Therefore, simulation is a feasible approach to the quantitative analysis of the performance of wireless sensor networks. However the existing planning algorithms and tools, to some extent, have serious limitations to practically design reliable WSN topology: Only a few of them tackle the 3D deployment issue, and an overwhelming number of works are proposed to place devices in 2D scheme. Without considering the full dimension, the impacts of environment to the performance of WSN are not completely studied, thus the values of evaluated metrics such as connectivity and sensing coverage are not sufficiently accurate to make proper decision. Even fewer planning methods model the sensing coverage and radio propagation by considering the realistic scenario where obstacles exist. Radio signals propagate with multi-path phenomenon in the real world, in which direct paths, reflected paths and diffracted paths contribute to the received signal strength. Besides, obstacles between the path of sensor and objects might block the sensing signals, thus create coverage hole in the application. None of the existing planning algorithms model the network longevity and packet delivery capability properly and practically. They often employ unilateral and unrealistic formulations. The optimization targets are often one-sided in the current works. Without comprehensive evaluation on the important metrics, the performance of planned WSNs can not be reliable and entirely optimized. Modeling of environment is usually time consuming and the cost is very high, while none of the current works figure out any method to model the 3D deployment environment efficiently and accurately. Therefore many researchers are trapped by this issue, and their algorithms can only be evaluated in the same scenario, without the possibility to test the robustness and feasibility for implementations in different environments. In this thesis, we propose a novel planning methodology and an intelligent WSN planning tool to assist WSN designers efficiently planning reliable WSNs. First of all, a new method is proposed to efficiently and automatically model the 3D indoor and outdoor environments. To the best of our knowledge, this is the first time that the advantages of image understanding algorithm are applied to automatically reconstruct 3D outdoor and indoor scenarios for signal propagation and network planning purpose. The experimental results indicate that the proposed methodology is able to accurately recognize different objects from the satellite images of the outdoor target regions and from the scanned floor plan of indoor area. Its mechanism offers users a flexibility to reconstruct different types of environment without any human interaction. Thereby it significantly reduces human efforts, cost and time spent on reconstructing a 3D geographic database and allows WSN designers concentrating on the planning issues. Secondly, an efficient ray-tracing engine is developed to accurately and practically model the radio propagation and sensing signal on the constructed 3D map. The engine contributes on efficiency and accuracy to the estimated results. By using image processing concepts, including the kd-tree space division algorithm and modified polar sweep algorithm, the rays are traced efficiently without detecting all the primitives in the scene. The radio propagation model iv is proposed, which emphasizes not only the materials of obstacles but also their locations along the signal path. The sensing signal of sensor nodes, which is sensitive to the obstacles, is benefit from the ray-tracing algorithm via obstacle detection. The performance of this modelling method is robust and accurate compared with conventional methods, and experimental results imply that this methodology is suitable for both outdoor urban scenes and indoor environments. Moreover, it can be applied to either GSM communication or ZigBee protocol by varying frequency parameter of the radio propagation model. Thirdly, WSN planning method is proposed to tackle the above mentioned challenges and efficiently deploy reliable WSNs. More metrics (connectivity, coverage, cost, lifetime, packet latency and packet drop rate) are modeled more practically compared with other works. Especially 3D ray tracing method is used to model the radio link and sensing signal which are sensitive to the obstruction of obstacles; network routing is constructed by using AODV protocol; the network longevity, packet delay and packet drop rate are obtained via simulating practical events in WSNet simulator, which to the best of our knowledge, is the first time that network simulator is involved in a planning algorithm. Moreover, a multi-objective optimization algorithm is developed to cater for the characteristics of WSNs. The capability of providing multiple optimized solutions simultaneously allows users making their own decisions accordingly, and the results are more comprehensively optimized compared with other state-of-the-art algorithms. iMOST is developed by integrating the introduced algorithms, to assist WSN designers efficiently planning reliable WSNs for different configurations. The abbreviated name iMOST stands for an Intelligent Multi-objective Optimization Sensor network planning Tool. iMOST contributes on: (1) Convenient operation with a user-friendly vision system; (2) Efficient and automatic 3D database reconstruction and fast 3D objects design for both indoor and outdoor environments; (3) It provides multiple multi-objective optimized 3D deployment solutions and allows users to configure the network properties, hence it can adapt to various WSN applications; (4) Deployment solutions in the 3D space and the corresponding evaluated performance are visually presented to users; and (5) The Node Placement Module of iMOST is available online as well as the source code of the other two rebuilt heuristics. Therefore WSN designers will be benefit from v this tool on efficiently constructing environment database, practically and efficiently planning reliable WSNs for both outdoor and indoor applications. With the open source codes, they are also able to compare their developed algorithms with ours to contribute to this academic field. Finally, solid real results are obtained for both indoor and outdoor WSN planning. Deployments have been realized for both indoor and outdoor environments based on the provided planning solutions. The measured results coincide well with the estimated results. The proposed planning algorithm is adaptable according to the WSN designer’s desirability and configuration, and it offers flexibility to plan small and large scale, indoor and outdoor 3D deployments. The thesis is organized in 7 chapters. In Chapter 1, WSN applications and motivations of this work are introduced, the state-of-the-art planning algorithms and tools are reviewed, challenges are stated out and the proposed methodology is briefly introduced. In Chapter 2, the proposed 3D environment reconstruction methodology is introduced and its performance is evaluated for both outdoor and indoor environment. The developed ray-tracing engine and proposed radio propagation modelling method are described in details in Chapter 3, their performances are evaluated in terms of computation efficiency and accuracy. Chapter 4 presents the modelling of important metrics of WSNs and the proposed multi-objective optimization planning algorithm, the performance is compared with the other state-of-the-art planning algorithms. The intelligent WSN planning tool iMOST is described in Chapter 5. RealWSN deployments are prosecuted based on the planned solutions for both indoor and outdoor scenarios, important data are measured and results are analysed in Chapter 6. Chapter 7 concludes the thesis and discusses about future works. vi Resumen en Castellano Las redes de sensores inalámbricas (en inglés Wireless Sensor Networks, WSNs) han demostrado su potencial en diversas aplicaciones que aportan una gran cantidad de beneficios para el campo de la investigación y de la industria. Para muchas configuraciones se prevé que las WSNs consistirán en decenas o cientos de nodos que funcionarán con baterías pequeñas. Sin embargo, debido a la diversidad de los ambientes para desplegar las redes y a las limitaciones de recursos en materia de comunicación de radio, capacidad de detección y suministro de energía, la planificación de la topología de la red y la predicción de su rendimiento es un tema muy difícil de tratar antes de la implementación real. Durante la fase de planificación del despliegue de la red se deben considerar aspectos como la conectividad, la cobertura, el coste, la longevidad de la red y la calidad del servicio. Por lo tanto, requiere de diseñadores con un amplio e interdisciplinario nivel de conocimiento que incluye la creación de redes, la ingeniería de radio y los sistemas embebidos entre otros, con el fin de construir de manera eficiente una WSN confiable para cualquier tipo de entorno. Hoy en día todavía hay una falta de análisis y experiencias que orienten a los diseñadores de WSN para construir las topologías WSN de manera eficiente sin realizar muchas pruebas. Por lo tanto, la simulación es un enfoque viable para el análisis cuantitativo del rendimiento de las redes de sensores inalámbricos. Sin embargo, los algoritmos y herramientas de planificación existentes tienen, en cierta medida, serias limitaciones para diseñar en la práctica una topología fiable de WSN: Sólo unos pocos abordan la cuestión del despliegue 3D mientras que existe una gran cantidad de trabajos que colocan los dispositivos en 2D. Si no se analiza la dimensión completa (3D), los efectos del entorno en el desempeño de WSN no se estudian por completo, por lo que los valores de los parámetros evaluados, como la conectividad y la cobertura de detección, no son lo suficientemente precisos para tomar la decisión correcta. Aún en menor medida los métodos de planificación modelan la cobertura de los sensores y la propagación de la señal de radio teniendo en cuenta un escenario realista donde existan obstáculos. Las señales de radio en el mundo real siguen una propagación multicamino, en la que los caminos directos, los caminos reflejados y los caminos difractados contribuyen a la intensidad de la señal recibida. Además, los obstáculos entre el recorrido del sensor y los objetos pueden bloquear las señales de detección y por lo tanto crear áreas sin cobertura en la aplicación. Ninguno de los algoritmos de planificación existentes modelan el tiempo de vida de la red y la capacidad de entrega de paquetes correctamente y prácticamente. A menudo se emplean formulaciones unilaterales y poco realistas. Los objetivos de optimización son a menudo tratados unilateralmente en los trabajos actuales. Sin una evaluación exhaustiva de los parámetros importantes, el rendimiento previsto de las redes inalámbricas de sensores no puede ser fiable y totalmente optimizado. Por lo general, el modelado del entorno conlleva mucho tiempo y tiene un coste muy alto, pero ninguno de los trabajos actuales propone algún método para modelar el entorno de despliegue 3D con eficiencia y precisión. Por lo tanto, muchos investigadores están limitados por este problema y sus algoritmos sólo se pueden evaluar en el mismo escenario, sin la posibilidad de probar la solidez y viabilidad para las implementaciones en diferentes entornos. En esta tesis, se propone una nueva metodología de planificación así como una herramienta inteligente de planificación de redes de sensores inalámbricas para ayudar a los diseñadores a planificar WSNs fiables de una manera eficiente. En primer lugar, se propone un nuevo método para modelar demanera eficiente y automática los ambientes interiores y exteriores en 3D. Según nuestros conocimientos hasta la fecha, esta es la primera vez que las ventajas del algoritmo de _image understanding_se aplican para reconstruir automáticamente los escenarios exteriores e interiores en 3D para analizar la propagación de la señal y viii la planificación de la red. Los resultados experimentales indican que la metodología propuesta es capaz de reconocer con precisión los diferentes objetos presentes en las imágenes satelitales de las regiones objetivo en el exterior y de la planta escaneada en el interior. Su mecanismo ofrece a los usuarios la flexibilidad para reconstruir los diferentes tipos de entornos sin ninguna interacción humana. De este modo se reduce considerablemente el esfuerzo humano, el coste y el tiempo invertido en la reconstrucción de una base de datos geográfica con información 3D, permitiendo así que los diseñadores se concentren en los temas de planificación. En segundo lugar, se ha desarrollado un motor de trazado de rayos (en inglés ray tracing) eficiente para modelar con precisión la propagación de la señal de radio y la señal de los sensores en el mapa 3D construido. El motor contribuye a la eficiencia y la precisión de los resultados estimados. Mediante el uso de los conceptos de procesamiento de imágenes, incluyendo el algoritmo del árbol kd para la división del espacio y el algoritmo _polar sweep_modificado, los rayos se trazan de manera eficiente sin la detección de todas las primitivas en la escena. El modelo de propagación de radio que se propone no sólo considera los materiales de los obstáculos, sino también su ubicación a lo largo de la ruta de señal. La señal de los sensores de los nodos, que es sensible a los obstáculos, se ve beneficiada por la detección de objetos llevada a cabo por el algoritmo de trazado de rayos. El rendimiento de este método de modelado es robusto y preciso en comparación con los métodos convencionales, y los resultados experimentales indican que esta metodología es adecuada tanto para escenas urbanas al aire libre como para ambientes interiores. Por otra parte, se puede aplicar a cualquier comunicación GSM o protocolo ZigBee mediante la variación de la frecuencia del modelo de propagación de radio. En tercer lugar, se propone un método de planificación de WSNs para hacer frente a los desafíos mencionados anteriormente y desplegar redes de sensores fiables de manera eficiente. Se modelan más parámetros (conectividad, cobertura, coste, tiempo de vida, la latencia de paquetes y tasa de caída de paquetes) en comparación con otros trabajos. Especialmente el método de trazado de rayos 3D se utiliza para modelar el enlace de radio y señal de los sensores que son sensibles a la obstrucción de obstáculos; el enrutamiento de la red se construye utilizando el protocolo AODV; la longevidad de la red, retardo de paquetes ix y tasa de abandono de paquetes se obtienen a través de la simulación de eventos prácticos en el simulador WSNet, y según nuestros conocimientos hasta la fecha, es la primera vez que simulador de red está implicado en un algoritmo de planificación. Por otra parte, se ha desarrollado un algoritmo de optimización multi-objetivo para satisfacer las características de las redes inalámbricas de sensores. La capacidad de proporcionar múltiples soluciones optimizadas de forma simultánea permite a los usuarios tomar sus propias decisiones en consecuencia, obteniendo mejores resultados en comparación con otros algoritmos del estado del arte. iMOST se desarrolla mediante la integración de los algoritmos presentados, para ayudar de forma eficiente a los diseñadores en la planificación de WSNs fiables para diferentes configuraciones. El nombre abreviado iMOST (Intelligent Multi-objective Optimization Sensor network planning Tool) representa una herramienta inteligente de planificación de redes de sensores con optimización multi-objetivo. iMOST contribuye en: (1) Operación conveniente con una interfaz de fácil uso, (2) Reconstrucción eficiente y automática de una base de datos con información 3D y diseño rápido de objetos 3D para ambientes interiores y exteriores, (3) Proporciona varias soluciones de despliegue optimizadas para los multi-objetivo en 3D y permite a los usuarios configurar las propiedades de red, por lo que puede adaptarse a diversas aplicaciones de WSN, (4) las soluciones de implementación en el espacio 3D y el correspondiente rendimiento evaluado se presentan visualmente a los usuarios, y (5) El _Node Placement Module_de iMOST está disponible en línea, así como el código fuente de las otras dos heurísticas de planificación. Por lo tanto los diseñadores WSN se beneficiarán de esta herramienta para la construcción eficiente de la base de datos con información del entorno, la planificación práctica y eficiente de WSNs fiables tanto para aplicaciones interiores y exteriores. Con los códigos fuente abiertos, son capaces de comparar sus algoritmos desarrollados con los nuestros para contribuir a este campo académico. Por último, se obtienen resultados reales sólidos tanto para la planificación de WSN en interiores y exteriores. Los despliegues se han realizado tanto para ambientes de interior y como para ambientes de exterior utilizando las soluciones de planificación propuestas. Los resultados medidos coinciden en gran medida con los resultados estimados. El algoritmo de planificación x propuesto se adapta convenientemente al deiseño de redes de sensores inalámbricas, y ofrece flexibilidad para planificar los despliegues 3D a pequeña y gran escala tanto en interiores como en exteriores. La tesis se estructura en 7 capítulos. En el Capítulo 1, se presentan las aplicaciones de WSN y motivaciones de este trabajo, se revisan los algoritmos y herramientas de planificación del estado del arte, se presentan los retos y se describe brevemente la metodología propuesta. En el Capítulo 2, se presenta la metodología de reconstrucción de entornos 3D propuesta y su rendimiento es evaluado tanto para espacios exteriores como para espacios interiores. El motor de trazado de rayos desarrollado y el método de modelado de propagación de radio propuesto se describen en detalle en el Capítulo 3, evaluándose en términos de eficiencia computacional y precisión. En el Capítulo 4 se presenta el modelado de los parámetros importantes de las WSNs y el algoritmo de planificación de optimización multi-objetivo propuesto, el rendimiento se compara con los otros algoritmos de planificación descritos en el estado del arte. La herramienta inteligente de planificación de redes de sensores inalámbricas, iMOST, se describe en el Capítulo 5. En el Capítulo 6 se llevan a cabo despliegues reales de acuerdo a las soluciones previstas para los escenarios interiores y exteriores, se miden los datos importantes y se analizan los resultados. En el Capítulo 7 se concluye la tesis y se discute acerca de los trabajos futuros.

An open-source simulation tool of grid-connected PV systems.

This paper will present an open-source simulation tool, which is being developed in the frame of an European research project1. The tool, whose final version will be freely available through a website, allows the modelling and the design of different types of grid-connected PV systems, such as large grid-connected plants and building-integrated installations. The tool is based on previous software developed by the IES-UPM2, whose models and energy losses scenarios have been validated in the commissioning of PV projects3 carried out in Spain, Portugal, France and Italy, whose aggregated capacity is nearly 300MW. This link between design and commissioning is one of the key points of tool presented here, which is not usually addressed by present commercial software. The tool provides, among other simulation results, the energy yield, the analysis and breakdown of energy losses, and the estimations of financial returns adapted to the legal and financial frameworks of each European country. Besides, educational facilities will be developed and integrated in the tool, not only devoted to learn how to use this software, but also to train the users on the best design PV systems practices. The tool will also include the recommendation of several PV community experts, which have been invited to identify present necessities in the field of PV systems simulation. For example, the possibility of using meteorological forecasts as input data, or modelling the integration of large energy storage systems, such as vanadium redox or lithium-ion batteries. Finally, it is worth mentioning that during the verification and testing stages of this software development, it will be also open to the suggestions received from the different actors of the PV community, such as promoters, installers, consultants, etc.

Variable impedance LED matrix control system for lamps in PV applications

The interest in LED lighting has been growing recently due to the high efficacy, lifelime and ruggedness that this technology offers. However the key element to guarantee those parameters with these new electronic devices is to keep under control the working temperature of the semiconductor crystal. This paper propases a LED lamp design that fulfils the requ irements of a PV lighting systems, whose main quality criteria is reliability. It uses directly as a power supply a non·stabilized constant voltage source, as batteries. An electronic control architecture is used to regulate the current applied to the LEO matri)( according to their temperature and the voltage output value of the batteries with two pulse modulation signals (PWM) signals. The first one connects and disconnects the LEOs to the power supply and the second one connects and disconnects several emitters to the electric circuit changing its overall impedance. A prototype of the LEO lamp has been implemented and tested at different temperaturas and battery voltages.

Temperature controlled light-emitting diode lamp for photovoltaic rural applications

In recent years, interest in light-emitting diode (LED) lighting has been growing because of its high efficacy, lifetime and ruggedness. This paper proposes a better adaptation of LED lamps to the technical requirements of photovoltaic lighting domestic systems, whose main quality criteria are reliability and that behave as voltage power supplies. As the key element of reliability in LED lamps is temperature, a solution is proposed for driving LED lamps using voltage sources, such as photovoltaic system batteries, with a control architecture based on pulse width modulation signal that regulates the current applied according to the LED lamp temperature. A prototype of the LED lamp has been implemented and tested to show its good performance at different temperatures and at different battery voltages.

Mission profile based optimization of a wearable power system

A Wearable Power System (WPS) is a portable power source utilized primarily to power the modern soldier’s electronic equipment. Such a system has to satisfy output power demands in the range of 20 W...200 W, specified as a 4-day mission profile and has a weight limit of 4 kg. To meet these demands, an optimization of a WPS, comprising an internal combustion (IC) engine, permanent magnetic three-phase electrical motor/generator, inverter, Li-batteries, DC-DC converters, and controller, is performed in this paper. The mechanical energy extracted from the fuel by IC engine is transferred to the generator that is used to recharge the battery and provide the power to the electrical output load. The main objectives are to select the engine, fuel and battery type, to match the weight of fuel and the number of battery cells, to find the optimal working point of engine and to minimize the system weight. To provide the second output voltage level of 14 VDC, a separate DC-DC converter is connected between the battery and the load, and optimized for the specified mission profile. A prototype of the WPS based on the optimization presented in the paper results in a total system weight of 3.9 kg and fulfils the mission profile.

Evaluation of the utilization of electric vehicles for building energy management in hotels

Governments are working in new policies to slow down total energy consumption and greenhouse gases (GHG) emissions, promoting the deployment of electric vehicles (EVs) in all countries. In order to facilitate this deployment and help to reduce the final costs of their batteries, additional utilization of EVs when those are parked has been proposed. EVs can be used to minimize the total electricity cost of buildings (named vehicle to building applications, V2B). In this paper an economic evaluation of EVs in the Building Energy Management System is shown. The optimal storage capacity and its equivalent number of EVs are determined. This value is then used for determining the optimal charging schedule to be applied to the batteries. From this schedule, the total expected profit is derived for the case of a real hotel in Spain.

Operational costs and reliability in a large rural electrification programme based on solar home systems

Experiences in decentralized rural electrification programmes using solar home systems have suffered difficulties during the operation and maintenance phase, due in many cases, to the underestimation of the maintenance cost, because of the decentralized character of the activity, and also because the reliability of the solar home system components is frequently unknown. This paper reports on the reliability study and cost characterization achieved in a large photovoltaic rural electrification programme carried out in Morocco. The paper aims to determinate the reliability features of the solar systems, focusing in the in-field testing for batteries and photovoltaic modules. The degradation rates for batteries and PV modules have been extracted from the in-field experiments. On the other hand, the main costs related to the operation and maintenance activity have been identified with the aim of establishing the main factors that lead to the failure of the quality sustainability in many rural electrification programmes.

Viabilidad de la instalación de un aerogenerador de eje vertical en un edificio de viviendas

Este proyecto trata de completar un estudio sobre la viabilidad de una instalación de turbina de eje vertical, en una azotea de un edificio de 6 plantas en el centro de la ciudad de Madrid. Está basado en la comunidad de vecinos de la calle de Lagasca 106 de Madrid, y se realiza de forma global, con objeto de que sirva como ejemplo a futuros estudios a realizar en esta área, incluyendo todas las dificultades y problemas que este tipo de proyectos muestran en su viabilidad. Los aspectos que vamos a abordar son: Demostración de que una turbina de eje vertical es más indicada e idónea para estos casos que una turbina de eje horizontal. Capacidad de generación eléctrica de la instalación que proponemos. Problemas asociados con la actual legislación. Problemas relacionados con la instalación eléctrica: el inversor de corriente, la decisión de utilizar un sistema de baterías, conectar el aerogenerador a la red o buscar un sistema mixto. La viabilidad económica de la instalación. ABSTRACT This project tries to complete a study on the viability of a vertical axis turbines installation in the roof of a “standard” 6 floors building in the center of Madrid. Besides, the project is based on the building situated in Lagasca 106, it pretends to be done in a “global” mode, in order to be an example of future projects, and include as many usual problems and items that this kind of projects could have to afford. These problems and issues are: the substantiation of the choice of the vertical axis turbine instead of a usual horizontal axis turbine, the model and the power capacity of this turbine. The turbines installation energy saving capacity. Problems associated to the legislation that we may to afford. And problems related to the electric installation, such us, transformer associated to the turbine, the decision of link the turbine with batteries or joining it directly to the building electric system. Also we have to set a programming system in order to monitor the different situations that the turbine has to work

Multidisciplinary Design Optimization Application to Conceptual Design of University-class Microsatellite Projects

Esta tesis se ha realizado en el contexto del proyecto UPMSat-2, que es un microsatélite diseñado, construido y operado por el Instituto Universitario de Microgravedad "Ignacio Da Riva" (IDR / UPM) de la Universidad Politécnica de Madrid. Aplicación de la metodología Ingeniería Concurrente (Concurrent Engineering: CE) en el marco de la aplicación de diseño multidisciplinar (Multidisciplinary Design Optimization: MDO) es uno de los principales objetivos del presente trabajo. En los últimos años, ha habido un interés continuo en la participación de los grupos de investigación de las universidades en los estudios de la tecnología espacial a través de sus propios microsatélites. La participación en este tipo de proyectos tiene algunos desafíos inherentes, tales como presupuestos y servicios limitados. Además, debido al hecho de que el objetivo principal de estos proyectos es fundamentalmente educativo, por lo general hay incertidumbres en cuanto a su misión en órbita y cargas útiles en las primeras fases del proyecto. Por otro lado, existen limitaciones predeterminadas para sus presupuestos de masa, volumen y energía, debido al hecho de que la mayoría de ellos están considerados como una carga útil auxiliar para el lanzamiento. De este modo, el costo de lanzamiento se reduce considerablemente. En este contexto, el subsistema estructural del satélite es uno de los más afectados por las restricciones que impone el lanzador. Esto puede afectar a diferentes aspectos, incluyendo las dimensiones, la resistencia y los requisitos de frecuencia. En la primera parte de esta tesis, la atención se centra en el desarrollo de una herramienta de diseño del subsistema estructural que evalúa, no sólo las propiedades de la estructura primaria como variables, sino también algunas variables de nivel de sistema del satélite, como la masa de la carga útil y la masa y las dimensiones extremas de satélite. Este enfoque permite que el equipo de diseño obtenga una mejor visión del diseño en un espacio de diseño extendido. La herramienta de diseño estructural se basa en las fórmulas y los supuestos apropiados, incluyendo los modelos estáticos y dinámicos del satélite. Un algoritmo genético (Genetic Algorithm: GA) se aplica al espacio de diseño para optimizaciones de objetivo único y también multiobjetivo. El resultado de la optimización multiobjetivo es un Pareto-optimal basado en dos objetivo, la masa total de satélites mínimo y el máximo presupuesto de masa de carga útil. Por otro lado, la aplicación de los microsatélites en misiones espaciales es de interés por su menor coste y tiempo de desarrollo. La gran necesidad de las aplicaciones de teledetección es un fuerte impulsor de su popularidad en este tipo de misiones espaciales. Las misiones de tele-observación por satélite son esenciales para la investigación de los recursos de la tierra y el medio ambiente. En estas misiones existen interrelaciones estrechas entre diferentes requisitos como la altitud orbital, tiempo de revisita, el ciclo de vida y la resolución. Además, todos estos requisitos puede afectar a toda las características de diseño. Durante los últimos años la aplicación de CE en las misiones espaciales ha demostrado una gran ventaja para llegar al diseño óptimo, teniendo en cuenta tanto el rendimiento y el costo del proyecto. Un ejemplo bien conocido de la aplicación de CE es la CDF (Facilidad Diseño Concurrente) de la ESA (Agencia Espacial Europea). Está claro que para los proyectos de microsatélites universitarios tener o desarrollar una instalación de este tipo parece estar más allá de las capacidades del proyecto. Sin embargo, la práctica de la CE a cualquier escala puede ser beneficiosa para los microsatélites universitarios también. En la segunda parte de esta tesis, la atención se centra en el desarrollo de una estructura de optimización de diseño multidisciplinar (Multidisciplinary Design Optimization: MDO) aplicable a la fase de diseño conceptual de microsatélites de teledetección. Este enfoque permite que el equipo de diseño conozca la interacción entre las diferentes variables de diseño. El esquema MDO presentado no sólo incluye variables de nivel de sistema, tales como la masa total del satélite y la potencia total, sino también los requisitos de la misión como la resolución y tiempo de revisita. El proceso de diseño de microsatélites se divide en tres disciplinas; a) diseño de órbita, b) diseño de carga útil y c) diseño de plataforma. En primer lugar, se calculan diferentes parámetros de misión para un rango práctico de órbitas helio-síncronas (sun-synchronous orbits: SS-Os). Luego, según los parámetros orbitales y los datos de un instrumento como referencia, se calcula la masa y la potencia de la carga útil. El diseño de la plataforma del satélite se estima a partir de los datos de la masa y potencia de los diferentes subsistemas utilizando relaciones empíricas de diseño. El diseño del subsistema de potencia se realiza teniendo en cuenta variables de diseño más detalladas, como el escenario de la misión y diferentes tipos de células solares y baterías. El escenario se selecciona, de modo de obtener una banda de cobertura sobre la superficie terrestre paralelo al Ecuador después de cada intervalo de revisita. Con el objetivo de evaluar las interrelaciones entre las diferentes variables en el espacio de diseño, todas las disciplinas de diseño mencionados se combinan en un código unificado. Por último, una forma básica de MDO se ajusta a la herramienta de diseño de sistema de satélite. La optimización del diseño se realiza por medio de un GA con el único objetivo de minimizar la masa total de microsatélite. Según los resultados obtenidos de la aplicación del MDO, existen diferentes puntos de diseños óptimos, pero con diferentes variables de misión. Este análisis demuestra la aplicabilidad de MDO para los estudios de ingeniería de sistema en la fase de diseño conceptual en este tipo de proyectos. La principal conclusión de esta tesis, es que el diseño clásico de los satélites que por lo general comienza con la definición de la misión y la carga útil no es necesariamente la mejor metodología para todos los proyectos de satélites. Un microsatélite universitario, es un ejemplo de este tipo de proyectos. Por eso, se han desarrollado un conjunto de herramientas de diseño para encarar los estudios de la fase inicial de diseño. Este conjunto de herramientas incluye diferentes disciplinas de diseño centrados en el subsistema estructural y teniendo en cuenta una carga útil desconocida a priori. Los resultados demuestran que la mínima masa total del satélite y la máxima masa disponible para una carga útil desconocida a priori, son objetivos conflictivos. En este contexto para encontrar un Pareto-optimal se ha aplicado una optimización multiobjetivo. Según los resultados se concluye que la selección de la masa total por satélite en el rango de 40-60 kg puede considerarse como óptima para un proyecto de microsatélites universitario con carga útil desconocida a priori. También la metodología CE se ha aplicado al proceso de diseño conceptual de microsatélites de teledetección. Los resultados de la aplicación del CE proporcionan una clara comprensión de la interacción entre los requisitos de diseño de sistemas de satélites, tales como la masa total del microsatélite y la potencia y los requisitos de la misión como la resolución y el tiempo de revisita. La aplicación de MDO se hace con la minimización de la masa total de microsatélite. Los resultados de la aplicación de MDO aclaran la relación clara entre los diferentes requisitos de diseño del sistema y de misión, así como que permiten seleccionar las líneas de base para el diseño óptimo con el objetivo seleccionado en las primeras fase de diseño. ABSTRACT This thesis is done in the context of UPMSat-2 project, which is a microsatellite under design and manufacturing at the Instituto Universitario de Microgravedad “Ignacio Da Riva” (IDR/UPM) of the Universidad Politécnica de Madrid. Application of Concurrent Engineering (CE) methodology in the framework of Multidisciplinary Design application (MDO) is one of the main objectives of the present work. In recent years, there has been continuing interest in the participation of university research groups in space technology studies by means of their own microsatellites. The involvement in such projects has some inherent challenges, such as limited budget and facilities. Also, due to the fact that the main objective of these projects is for educational purposes, usually there are uncertainties regarding their in orbit mission and scientific payloads at the early phases of the project. On the other hand, there are predetermined limitations for their mass and volume budgets owing to the fact that most of them are launched as an auxiliary payload in which the launch cost is reduced considerably. The satellite structure subsystem is the one which is most affected by the launcher constraints. This can affect different aspects, including dimensions, strength and frequency requirements. In the first part of this thesis, the main focus is on developing a structural design sizing tool containing not only the primary structures properties as variables but also the satellite system level variables such as payload mass budget and satellite total mass and dimensions. This approach enables the design team to obtain better insight into the design in an extended design envelope. The structural design sizing tool is based on the analytical structural design formulas and appropriate assumptions including both static and dynamic models of the satellite. A Genetic Algorithm (GA) is applied to the design space for both single and multiobejective optimizations. The result of the multiobjective optimization is a Pareto-optimal based on two objectives, minimum satellite total mass and maximum payload mass budget. On the other hand, the application of the microsatellites is of interest for their less cost and response time. The high need for the remote sensing applications is a strong driver of their popularity in space missions. The satellite remote sensing missions are essential for long term research around the condition of the earth resources and environment. In remote sensing missions there are tight interrelations between different requirements such as orbital altitude, revisit time, mission cycle life and spatial resolution. Also, all of these requirements can affect the whole design characteristics. During the last years application of the CE in the space missions has demonstrated a great advantage to reach the optimum design base lines considering both the performance and the cost of the project. A well-known example of CE application is ESA (European Space Agency) CDF (Concurrent Design Facility). It is clear that for the university-class microsatellite projects having or developing such a facility seems beyond the project capabilities. Nevertheless practicing CE at any scale can be beneficiary for the university-class microsatellite projects. In the second part of this thesis, the main focus is on developing a MDO framework applicable to the conceptual design phase of the remote sensing microsatellites. This approach enables the design team to evaluate the interaction between the different system design variables. The presented MDO framework contains not only the system level variables such as the satellite total mass and total power, but also the mission requirements like the spatial resolution and the revisit time. The microsatellite sizing process is divided into the three major design disciplines; a) orbit design, b) payload sizing and c) bus sizing. First, different mission parameters for a practical range of sun-synchronous orbits (SS-Os) are calculated. Then, according to the orbital parameters and a reference remote sensing instrument, mass and power of the payload are calculated. Satellite bus sizing is done based on mass and power calculation of the different subsystems using design estimation relationships. In the satellite bus sizing, the power subsystem design is realized by considering more detailed design variables including a mission scenario and different types of solar cells and batteries. The mission scenario is selected in order to obtain a coverage belt on the earth surface parallel to the earth equatorial after each revisit time. In order to evaluate the interrelations between the different variables inside the design space all the mentioned design disciplines are combined in a unified code. The integrated satellite system sizing tool developed in this section is considered as an application of the CE to the conceptual design of the remote sensing microsatellite projects. Finally, in order to apply the MDO methodology to the design problem, a basic MDO framework is adjusted to the developed satellite system design tool. Design optimization is done by means of a GA single objective algorithm with the objective function as minimizing the microsatellite total mass. According to the results of MDO application, there exist different optimum design points all with the minimum satellite total mass but with different mission variables. This output demonstrates the successful applicability of MDO approach for system engineering trade-off studies at the conceptual design phase of the design in such projects. The main conclusion of this thesis is that the classical design approach for the satellite design which usually starts with the mission and payload definition is not necessarily the best approach for all of the satellite projects. The university-class microsatellite is an example for such projects. Due to this fact an integrated satellite sizing tool including different design disciplines focusing on the structural subsystem and considering unknown payload is developed. According to the results the satellite total mass and available mass for the unknown payload are conflictive objectives. In order to find the Pareto-optimal a multiobjective GA optimization is conducted. Based on the optimization results it is concluded that selecting the satellite total mass in the range of 40-60 kg can be considered as an optimum approach for a university-class microsatellite project with unknown payload(s). Also, the CE methodology is applied to the remote sensing microsatellites conceptual design process. The results of CE application provide a clear understanding of the interaction between satellite system design requirements such as satellite total mass and power and the satellite mission variables such as revisit time and spatial resolution. The MDO application is done with the total mass minimization of a remote sensing satellite. The results from the MDO application clarify the unclear relationship between different system and mission design variables as well as the optimum design base lines according to the selected objective during the initial design phases.

Electrical energy balance contest in Solar Decathlon Europe 2012

Solar Decathlon Europe (SDE) is an international multidisciplinary competition in which 20 universityteams build and operate energy-efficient solar-powered houses. The aim of SDE is not only scientificbut also educational and divulgative, making visitors to understand the problems presented by realengineering applications and architecture. From a research perspective, the energy data gathered dur-ing the competition constitutes a very promising information for the analysis and understanding of thephotovoltaic systems, grid structures, energy balances and energy efficiency of the set of houses. Thisarticle focuses on the electrical energy components of SDE competition, the energy performance of thehouses and the strategies and behaviors followed by the teams. The rules evaluate the houses? electricalenergy self-sufficiency by looking at the electricity autonomy in terms of aggregated electrical energybalance; the temporary generation-consumption profile pattern correlation; and the use of electricityper measurable area. Although the houses are evaluated under the same climatological and consump-tion conditions, production results are very different due to the specific engineering solutions (differentelectrical topologies, presence or absence of batteries, diverse photovoltaic module solutions, etc.)

Effect of composition, sonication and pressure on the rate capability of 5 V-LiNi0.5Mn1.5O4 composite cathodes

Positive composite electrodes having LiNi0.5Mn1.5O4 spinel as active material, a blend of graphite and carbon black for increasing the electrode electrical conductivity and either polyvinyldenefluoride (PVDF) or a blend of PVDF with a small amount of Teflon® (1 wt%) for building up the electrode. They have been processed by tape casting on an aluminum foil as current collector using the doctor blade technique. Additionally, the component blends were either sonicated or not, and the processed electrodes were compacted or not under subsequent cold pressing. Composites electrodes with high weight, up to 17 mg/cm2, were prepared and studied as positive electrodes for lithium-ion batteries. The addition of Teflon® and the application of the sonication treatment lead to uniform electrodes that are well-adhered to the aluminum foil. Both parameters contribute to improve the capacity drained at high rates (5C). Additional compaction of the electrode/aluminum assemblies remarkably enhances the electrode rate capabilities. At 5C rate, remarkable capacity retentions between 80% and 90% are found for electrodes with weights in the range 3–17 mg/cm2, having Teflon® in their formulation, prepared after sonication of their component blends and compacted under 2 tonnes/cm2.

Fuel Cells: A Real Option for Unmanned Aerial Vehicles Propulsion

The possibility of implementing fuel cell technology in Unmanned Aerial Vehicle (UAV) propulsion systems is considered. Potential advantages of the Proton Exchange Membrane or Polymer Electrolyte Membrane (PEMFC) and Direct Methanol Fuel Cells (DMFC), their fuels (hydrogen and methanol), and their storage systems are revised from technical and environmental standpoints. Some operating commercial applications are described. Main constraints for these kinds of fuel cells are analyzed in order to elucidate the viability of future developments. Since the low power density is the main problem of fuel cells, hybridization with electric batteries, necessary in most cases, is also explored.

Desarrollo de un sistema automático de medida para el control del consumo en sistemas empotrados

El Grupo de Diseño Electrónico y Microelectrónico de la Universidad Politécnica de Madrid -GDEM- se dedica, entre otras cosas, al estudio y mejora del consumo en sistemas empotrados. Es en este lugar y sobre este tema donde el proyecto a exponer ha tomado forma y desarrollo. Según un artículo de la revista online Revista de Electrónica Embebida, un sistema empotrado o embebido es aquel “sistema controlado por un microprocesador y que gracias a la programación que incorpora o que se le debe incorporar, realiza una función específica para la que ha sido diseñado, integrando en su interior la mayoría de los elementos necesarios para realizar dicho función”. El porqué de estudiar sobre este tema responde a que, cada vez, hay mayor presencia de sistemas empotrados en nuestra vida cotidiana. Esto es debido a que se está tendiendo a dotar de “inteligencia” a todo lo que puedan hacer nuestra vida un poco más fácil. Nos podemos encontrar dichos sistemas en fábricas, oficinas de atención a los ciudadanos, sistemas de seguridad de hogar, relojes, móviles, lavadoras, hornos, aspiradores y un largo etcétera en cualquier aparato que nos podamos imaginar. A pesar de sus grandes ventajas, aún hay grandes inconvenientes. El mayor problema que supone a día de hoy es la autonomía del mismo sistema, ya que hablamos de aparatos que muchas veces están alimentados por baterías -para ayudar a su portabilidad–. Por esto, se está intentando dotar a dichos sistemas de una capacidad de ahorro de energía y toma de decisiones que podrían ayudar a duplicar la autonomía de dicha batería. Un ejemplo claro son los Smartphones de hoy en día, unos aparatos casi indispensables que pueden tener una autonomía de un día. Esto es poco práctico para el usuario en caso de viajes, trabajo u otras situaciones en las que se le dé mucho uso y no pueda tener acceso a una red eléctrica. Es por esto que surge la necesidad de investigar, sin necesidad de mejorar el hardware del sistema, una manera de mejorar esta situación. Este proyecto trabajará en esa línea creando un sistema automático de medida el cual generará las corrientes que servirán como entrada para verificar el sistema de adquisición que junto con la tarjeta Beagle Board permitirá la toma de decisiones en relación con el consumo de energía. Para realizar este sistema, nos ayudaremos de diferentes herramientas que podremos encontrar en el laboratorio del GDEM, como la fuente de alimentación Agilent y la Beagle Board –como principales herramientas de trabajo- . El objetivo principal será la simulación de unas señales que, después de pasar un proceso de conversión y tratado, harán la función de representación del consumo de cada una de las partes que pueden formar un sistema empotrado genérico. Por lo tanto, podemos decir que el sistema hará la funcionalidad de un banco de pruebas que ayudará a simular dicho consumo para que el microprocesador del sistema pueda llegar a tomar alguna decisión. ABSTRACT. The Electronic and Microelectronic Design Group of Universidad Politécnica de Madrid -GDEM- is in charge, between other issues, of improving the embedded system’s consumption. It is in this place and about this subject where the exposed project has taken shape and development. According to an article from de online magazine Revista de Electronica Embebida, an embedded system is “the one controlled by a microprocessor and, thanks to the programing that it includes, it carries out a specific function what it has been designed for, being integrated in it the most necessary elements for realizing the already said function”. The because of studying this subject, answers that each time there is more presence of the embedded system in our daily life. This is due to the tendency of providing “intelligence” to all what can make our lives easier. We can find this kind of systems in factories, offices, security systems, watchers, mobile phones, washing machines, ovens, hoovers and, definitely, in all kind of machines what we can think of. Despite its large vantages, there are still some inconveniences. Nowadays, the most important problem is the autonomy of the system itself when machines that have to be supplied by batteries –making easier the portability-. Therefore, this project is going after a save capacity of energy for the system as well as being able to take decisions in order to duplicate batteries’ autonomy. Smartphones are a clear example. They are a very successful product but the autonomy is just one day. This is not practical for users, at all, if they have to travel, to work or to do any activity that involves a huge use of the phone without a socket nearby. That is why the need of investigating a way to improve this situation. This project is working on this line, creating an automatic system that will generate the currents for verifying the acquisition system that, with the beagle board, will help taking decisions regarding the energy’s consumption. To carry out this system, we need different tools that we can find in the laboratory of the group previously mentioned, like power supply Agilent and the Beagle Board – as main working tools –. The main goal is the simulation of some signals that, after a conversion process, will represent de consumption of each of the parts in the embedded generic system. Therefore, the system will be a testing ground that simulate the consumption, once sent to the processor, to be processed and so the microprocessor system might take some decision.

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.

Evaluación de ruido ambiental en las zonas de uso residencial ubicadas en la zona de influencia de la Avenida San Pablo (Barrio de la Estación, Coslada)

El presente documento analiza y evalúa el ruido ambiental existente en las zonas de uso residencial ubicadas en el Barrio de “La Estación”, en el entorno de la Avenida San Pablo, pertenecientes al municipio de Coslada (Madrid). La zona que contempla el proyecto es muy completa, ya que en ella están presentes diferentes tipos de ruido medioambiental (tráfico ferroviario, tráfico rodado, tráfico aeroportuario, ruido industrial de instalaciones, ruido de actividades, etc), donde las fuentes de ruido pueden manifestarse aisladas o en diversas combinaciones. Para evaluar el ruido total existente, se analiza por un lado el ruido residual de la zona de estudio, y por otro el ruido específico e intermitente asociado a sucesos aislados, como son el ruido de aviones y el ruido de trenes, donde se estudia individualmente la existencia de componentes de tonalidad, baja frecuencia e impulsividad. Una vez obtenidos los niveles de ruido total y ruido residual en la zona objeto de estudio, el índice Nivel de presión sonora promedio LPm de las muestras analizadas, estima correctamente los niveles obtenidos en el muestreo de larga duración. En las medidas realizadas se detecta la existencia de componentes de tonalidad y baja frecuencia en los pasos de aviones y trenes registrados. Se calculan los niveles sonoros existentes en la zona de estudio. Para ello se realiza una evaluación de los índices de ruido Ld, para el periodo día, y Le, para el periodo tarde, utilizando como herramienta de cálculo el programa IMMI 6.3.1e. Se realiza la validación del mapa de niveles sonoros obtenido con el IMMI 6.3.1e. Para ello se hace una comparación entre los niveles calculados con el modelo, y los niveles medidos “in situ” en los puntos de muestreo. Por último se obtiene la incertidumbre en cada una de las medidas ejecutadas en una segunda campaña “in situ”, correspondientes a niveles de presión sonora continuos equivalentes ponderado A (LAeq,5min), teniendo en cuenta las posibles desviaciones ocasionadas por el equipo de medida, condiciones meteorológicas, procedimiento de realización del ensayo, etc. ABSTRACT. The present document analyzes and evaluates the environmental noise in the residential areas located at “La Estación” district, near the San Pablo Avenue, in the Coslada municipality (Madrid). The area considered in this project is very complete, once it covers different types of environmental noise (railway traffic, vehicular traffic, airport traffic, industrial noise of building systems, activities noise, etc), where noise sources may appear isolated or under several combinations. In order to evaluate the existing total noise, on one hand it is analyzed the residual noise in the study area, and on the other hand it is analyzed the specific and intermittent noise associated to isolated occurrences, such as the noise of the aircrafts and the noise of the trains, where the existence of components of tonality, low frequency and impulsiveness is studied individually. After obtaining the levels of total noise and residual noise in the target study area, the sound pressure level average index (LPm) of the analyzed samples estimates correctly the levels obtained in the sampling of long duration. On what concerns the measures carried out, it is detected the existence of components of tonality and low frequency in the registered aircrafts and trains passage. The sound levels of the study area are calculated. For that it is made a valuation of the Ld noise ratio, concerning the day period, and Le, concerning the afternoon period. The calculation tool used is the IMMI 6.3.1e programme. The validation of the map of sound levels obtained with the IMMI 6.3.1e is made. In order to get this validation, it is made a comparison between the levels calculated with the model and the levels measured “in situ” in the sampling points. Finally the uncertainty is obtained in each one of the measurements made in a second sampling “in situ”, correspondent to equivalent A-weighted continuous sound pressure level (LAeq,5 min), having in mind the possible deviations caused by the equipment of measure, meteorological conditions, essay’s execution procedures, etc.