Desenvolvimento e implementação de um sistema de controle de posição e velocidade de uma esteira transportadora usando inversor de frequência e microcontrolador

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Comunicado más notícias: protocolo paciente

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Diseño, implementación y verificación de un controlador para robots educativos

[EN] This project briefly analyzes the scope and applications of Industrial Robotics, as well as the importance that this technical discipline has gained in the past decades. In addition, it proposes a modern platform to assist in teaching this discipline in colleges and universities. This new educational platform for the teaching of Industrial Robotics is based on the robotic systems from Rhino Robotics Ltd., using the existing robotic arms and replacing the control electronics by a newer, modern and yet backwards-compatible controller. In addition to the controller, this platform also provides new, up-to-date software utilities that are more intuitive than those provided with the old system. The work to be done consists essentially in receiving commands from a personal computer which the controller must interpret in order to control the motors of the robotic arm. The controller itself will be implemented as an embedded system based on microcontrollers. This requires the implementation of a communication protocol between the personal computer and the microcontroller, the design of a command interpreter, the design of the electronics for motor control using PWM and H-bridges, and the implementation of control techniques (more precisely, PID control). Hence, this project combines software and hardware design and integration techniques with motor control techniques and feedback control methods from Control Engineering, along with the kinematic analysis of the Rhino XR-4 robotic arm. 

TouCAN : mejora y ampliación de funcionalidades

[ES]

TouCAN es una librería creada en su primera versión (v1) como Trabajos de Fin de Grado en Ingeniería Informática por John Wu Wu y Jose Lareo Domínguez bajo la tutorización de los profesores Antonio C. Domínguez Brito y Jorge Cabrera Gámez. Define un protocolo de comunicación para la interconexión de una red de microcontroladores basados en la plataforma de prototipado electrónico Arduino. Trabaja sobre el protocolo de comunicación CAN Bus (Controller Area Network), ampliamente utilizado por la industria desde la década de los 80. TouCAN destaca por ser una librería ligera, potente y amigable. El objetivo principal de este Trabajo Final de Grado en Ingeniería Informática consiste en proporcionar robustez a la librería incorporando mejoras y nuevas funcionalidades. Entre las principales mejoras destacar el control frente a fallos de comunicación, reinicio o reset de los microcontroladores, así como la caída de los mismos. Otra característica incluida en esta revisión consiste en la asignación dinámica deidentificadores de dispositivos que conforman un sistema empotrado distribuido. Permitiendo la posibilidad de “conexión en caliente” de nuevos nodos microcontroladores a la red de forma dinámica. A estos cambios, también se han añadido mejoras en la interfaz de la API que simplifica el uso y aprendizaje de la misma. Así como una nueva herramienta denominada TouCANSniffer que permite capturar y analizar todo el tráfico generado en la red. Las nuevas características y funcionalidades añadidas en TouCAN v2 proporcionan el potencial necesario para ser considerada seriamente como base de cualquier nuevo proyecto que integre una red distribuida de microcontroladores.

Motion control and real-time systems: an approach to trajectory rebuilding in non-deterministic networks

Motion control is a sub-field of automation, in which the position and/or velocity of machines are controlled using some type of device. In motion control the position, velocity, force, pressure, etc., profiles are designed in such a way that the different mechanical parts work as an harmonious whole in which a perfect synchronization must be achieved. The real-time exchange of information in the distributed system that is nowadays an industrial plant plays an important role in order to achieve always better performance, better effectiveness and better safety. The network for connecting field devices such as sensors, actuators, field controllers such as PLCs, regulators, drive controller etc., and man-machine interfaces is commonly called fieldbus. Since the motion transmission is now task of the communication system, and not more of kinematic chains as in the past, the communication protocol must assure that the desired profiles, and their properties, are correctly transmitted to the axes then reproduced or else the synchronization among the different parts is lost with all the resulting consequences. In this thesis, the problem of trajectory reconstruction in the case of an event-triggered communication system is faced. The most important feature that a real-time communication system must have is the preservation of the following temporal and spatial properties: absolute temporal consistency, relative temporal consistency, spatial consistency. Starting from the basic system composed by one master and one slave and passing through systems made up by many slaves and one master or many masters and one slave, the problems in the profile reconstruction and temporal properties preservation, and subsequently the synchronization of different profiles in network adopting an event-triggered communication system, have been shown. These networks are characterized by the fact that a common knowledge of the global time is not available. Therefore they are non-deterministic networks. Each topology is analyzed and the proposed solution based on phase-locked loops adopted for the basic master-slave case has been improved to face with the other configurations.

Modelling and Design of Advanced Reliable Circuits and Devices for Energy Efficiency

Reliable electronic systems, namely a set of reliable electronic devices connected to each other and working correctly together for the same functionality, represent an essential ingredient for the large-scale commercial implementation of any technological advancement. Microelectronics technologies and new powerful integrated circuits provide noticeable improvements in performance and cost-effectiveness, and allow introducing electronic systems in increasingly diversified contexts. On the other hand, opening of new fields of application leads to new, unexplored reliability issues. The development of semiconductor device and electrical models (such as the well known SPICE models) able to describe the electrical behavior of devices and circuits, is a useful means to simulate and analyze the functionality of new electronic architectures and new technologies. Moreover, it represents an effective way to point out the reliability issues due to the employment of advanced electronic systems in new application contexts. In this thesis modeling and design of both advanced reliable circuits for general-purpose applications and devices for energy efficiency are considered. More in details, the following activities have been carried out: first, reliability issues in terms of security of standard communication protocols in wireless sensor networks are discussed. A new communication protocol is introduced, allows increasing the network security. Second, a novel scheme for the on-die measurement of either clock jitter or process parameter variations is proposed. The developed scheme can be used for an evaluation of both jitter and process parameter variations at low costs. Then, reliability issues in the field of “energy scavenging systems” have been analyzed. An accurate analysis and modeling of the effects of faults affecting circuit for energy harvesting from mechanical vibrations is performed. Finally, the problem of modeling the electrical and thermal behavior of photovoltaic (PV) cells under hot-spot condition is addressed with the development of an electrical and thermal model.

Enhancing quality of service in software-defined networks

Resource management is of paramount importance in network scenarios and it is a long-standing and still open issue. Unfortunately, while technology and innovation continue to evolve, our network infrastructure system has been maintained almost in the same shape for decades and this phenomenon is known as “Internet ossification”. Software-Defined Networking (SDN) is an emerging paradigm in computer networking that allows a logically centralized software program to control the behavior of an entire network. This is done by decoupling the network control logic from the underlying physical routers and switches that forward traffic to the selected destination. One mechanism that allows the control plane to communicate with the data plane is OpenFlow. The network operators could write high-level control programs that specify the behavior of an entire network. Moreover, the centralized control makes it possible to define more specific and complex tasks that could involve many network functionalities, e.g., security, resource management and control, into a single framework. Nowadays, the explosive growth of real time applications that require stringent Quality of Service (QoS) guarantees, brings the network programmers to design network protocols that deliver certain performance guarantees. This thesis exploits the use of SDN in conjunction with OpenFlow to manage differentiating network services with an high QoS. Initially, we define a QoS Management and Orchestration architecture that allows us to manage the network in a modular way. Then, we provide a seamless integration between the architecture and the standard SDN paradigm following the separation between the control and data planes. This work is a first step towards the deployment of our proposal in the University of California, Los Angeles (UCLA) campus network with differentiating services and stringent QoS requirements. We also plan to exploit our solution to manage the handoff between different network technologies, e.g., Wi-Fi and WiMAX. Indeed, the model can be run with different parameters, depending on the communication protocol and can provide optimal results to be implemented on the campus network.

Nonparametric Message Passing Methods for Cooperative Localization and Tracking

The objective of this thesis is the development of cooperative localization and tracking algorithms using nonparametric message passing techniques. In contrast to the most well-known techniques, the goal is to estimate the posterior probability density function (PDF) of the position of each sensor. This problem can be solved using Bayesian approach, but it is intractable in general case. Nevertheless, the particle-based approximation (via nonparametric representation), and an appropriate factorization of the joint PDFs (using message passing methods), make Bayesian approach acceptable for inference in sensor networks. The well-known method for this problem, nonparametric belief propagation (NBP), can lead to inaccurate beliefs and possible non-convergence in loopy networks. Therefore, we propose four novel algorithms which alleviate these problems: nonparametric generalized belief propagation (NGBP) based on junction tree (NGBP-JT), NGBP based on pseudo-junction tree (NGBP-PJT), NBP based on spanning trees (NBP-ST), and uniformly-reweighted NBP (URW-NBP). We also extend NBP for cooperative localization in mobile networks. In contrast to the previous methods, we use an optional smoothing, provide a novel communication protocol, and increase the efficiency of the sampling techniques. Moreover, we propose novel algorithms for distributed tracking, in which the goal is to track the passive object which cannot locate itself. In particular, we develop distributed particle filtering (DPF) based on three asynchronous belief consensus (BC) algorithms: standard belief consensus (SBC), broadcast gossip (BG), and belief propagation (BP). Finally, the last part of this thesis includes the experimental analysis of some of the proposed algorithms, in which we found that the results based on real measurements are very similar with the results based on theoretical models.

La videovigilancia : tecnologías actuales y aspectos sociopolíticos

En este Proyecto de fin de carrera titulado: LA VÍDEOVIGILANCIA: TECNOLOGÍAS ACTUALES Y ASPECTOS SOCIOPOLÍTICOS, tiene como objetivo hacer un estudio en los sistemas de Vídeovigilancia basado en cámaras-IP, con fines de seguridad, control o supervisión. Nos basaremos en exponer los sistemas Vídeovigilancia basados en cámara-IP actuales de ultima generación, cuya principal virtud de estos sistemas, es la comunicación con otros lugares, o espacios públicos como privados y poder visualizar tanto en vivo como en diferido lo que este pasando en ese lugar y en ese momento o haya pasado a través del protocolo de comunicación-IP. Se explicara desde el más básico al más complejo sistema de videovigilancia-IP, también explicaremos su puesta en practica mediante los múltiples interconexiones que estos conlleven. Llegando a este punto, se nos plantea las siguientes cuestiones que da origen a este PFC. Estos sistemas de Vídeovigilancia-IP, captan las imágenes por medio de las cámaras-IP, proporcionando su facilidad tanto de visionado/grabacion, como de control, ya que no es necesario estar presente e interactuando con otros sistemas digitales de diverso índole actuales, gracias al protocolo-IP. Estos sistemas-IP, tienen su puesta en práctica mediante las instalaciones requeridas ,estas podrán ser sencillas o muy complejas de todos los sistemas-IP. Debido al gran aumento masivo, las tecnologías actuales de diverso índole de cámaras-IP en materia de la vídeovigilancia en lugares públicos, y privados en nuestra sociedad actual, lo hace un medio particularmente invasivo y por ello resulta necesario tanto la concurrencia de condiciones que legitimen los tratamientos de datos de personas identificables, como la definición de los principios y garantías que deban aplicarse ya que estas, repercutirán sobre los derechos de las personas, lo que obligara a fijar ciertas garantías. Se nos plantea los casos en los que la captación y/o tratamiento de imágenes con fines de Vídeovigilancia que pertenezcan a personas identificadas o identificables, ha obligado a España, y según dispuesto por la Directiva 95/46/CE del Parlamento Europeo, a regularizar esta situación mediante la Ley Orgánica de Protección de Datos (LOPD) 15/1999 de 13 de diciembre, bajo los procedimientos del Estado español en materia sociopolítica, y dando vigor a esta ley, mediante la aprobación de la Instrucción 1/2006 de 8 de noviembre de 2006, cuyo máximo organismo es la Agencia española de Protección de Datos (AGPD). Una vez planteada la motivación y justificación del proyecto, se derivan unos objetivos a cumplir con la realización del mismo. Los objetivos del proyecto se pueden diferenciar en dos clases principalmente. Los objetivos principales y objetivos secundarios. Los objetivos principales de este PFC, nacen directamente de las necesidades planteadas originalmente en materia de Vídeovigilancia, tanto tecnológicamente basado en las cámaras-IP en la captación y/o tratamiento de imágenes, así como sociopolíticamente donde trataremos de describirlo mediante las indicaciones y criterios con casos prácticos y de cómo deben de aplicarse según la instrucción 1/2006 mediante la LOPD en materia de Vídeovigilancia, en cuanto a la protección de datos que puedan repercutir sobre el derecho de las personas. Por otra parte los objetivos secundarios, son la extensión del objetivo primario y son de orden cuantificador en este PFC, dando una explicación más exhaustiva del objetivo principal. ABSTRACT In this final year project, entitled: THE VIDEOSURVEILLANCE: CURRENT TECHNOLOGIES AND POLITICALSOCIALS ASPECTS, aims to make a study of video surveillance systems based on IP cameras, for security, control or supervision. We will rely on to expose the camera based video surveillance systems IP-current last generation, whose main virtue of these systems, is communication with other places, or public and private spaces and to view both live and time so this happening in that place and at that time or passed through-IP communication protocol. He explained from the most basic to the most complex-IP video surveillance system, also explain its implementation into practice through multiple interconnections that these entail. Arriving at this point, we face the following issues which gave rise to this PFC. These IP-video surveillance systems, captured images through IP-cameras, providing both ease of viewing / recording, as a control, since it is not necessary to be present and interacting with other digital systems such diverse today, thanks IP-protocol. These systems-IP, have their implementation through the facilities required, these can be simple or very complex all-IP video surveillance systems. Due to the large increase in mass, current technologies of different kinds of IP cameras for video surveillance in public places, and private in our society, it makes a particularly invasive and therefore attendance is necessary both conditions that legitimize data processing of identifiable people, as the definition of the principles and safeguards to be applied as these will impact on the rights of the people, which forced to set certain guarantees. We face those cases in which the uptake and / or image processing video surveillance purposes belonging to identified or identifiable, has forced Spain, and as required by Directive 95/46/EC of the European Parliament, to regularize this situation by the Organic Law on Data Protection (LOPD) 15/1999 of December 13, under the procedures of the Spanish State in sociopolitical, and giving effect to this Act, with the approval of the Instruction 1/2006 of 8 November 2006, the governing body is the Spanish Agency for Data Protection (AGPD). Once raised the motivation and justification for the project, resulting in meeting targets to achieve the same. Project objectives can be differentiated into two main classes, the main objectives and secondary objectives: The main objectives of this PFC, born directly from requirements originally raised for capturing both technologically imaging me and try to describe where sociopolitically, the details and criteria as case studies and should be applied according to the instruction 1 / 2006 by the LOPD on video surveillance system in terms of data protection that could impact on the right people. Moreover the secondary objectives are the extension of the primary and are of a quantifier in this PFC, giving a fuller explanation of the main objective.

Desarrollo de una herramienta software para el manejo de un teléfono móvil adaptada a personas con discapacidad física severa

El presente proyecto desarrolla una aplicación residente en un terminal móvil, que pretende proporcionar un valor añadido al actual proyecto Localiza, sistema de localización bajo demanda para personas con discapacidad severa. Mediante el desarrollo de este proyecto se pretende facilitar el acceso al teléfono móvil y al ordenador a las personas con discapacidad motriz. El objetivo final es ser capaz de controlar un teléfono móvil por medio de control remoto, mediante el uso de un ordenador personal. Para ello se establece una conexión remota entre el terminal móvil y el ordenador personal, a través del protocolo de comunicación Bluetooth. De este modo, a través de la aplicación móvil se transmite la información de posición de las coordenadas, proporcionada por el acelerómetro del terminal, a un servicio instalado en el ordenador que se encarga de gestionar la información recibida, y así crear las interrupciones pertinentes en el sistema operativo para mover el puntero del ratón. Para controlar el teléfono móvil de forma remota se dispondrá de un emulador de telefonía móvil instalado en el ordenador que implemente las funciones básicas de control de llamadas. Por medio de comunicación Bluetooth, las acciones que realice el usuario en emulador serán invocadas en el propio terminal móvil. SUMMARY. The project presented develops a mobile application, which is intended to provide an added value to the already existing project Localiza, on-demand position system for people with severe disabilities. This project aims to facilitate the access to the personal computer and to the mobile telephony environment for disabled people. The main goal is to be able to control a mobile phone by remote control, using a personal computer. Thus, a remote connexion will to be established between the mobile device and the personal computer, through Bluetooth communication protocol. Thus, the mobile application will transmit the coordinate’s position, provided by the accelerometer of the mobile device, to a Bluetooth service running in the personal computer. That service will be in charge of managing the information received in order to create the interruptions on the operational system for moving the mouse pointer. The remote controlling of the mobile device is carried out using a mobile telephony emulator installed in the personal computer, which will implement the basic functionality of calling control. Using Bluetooth communication, the user actions done in the emulator interface will be invoked on the mobile device itself.

Sistema de Aparcamiento Inteligente Aplicado a las Smart Cities

En las últimas décadas el mundo ha sufrido un aumento exponencial en la utilización de soluciones tecnológicas, lo que ha desembocado en la necesidad de medir situaciones o estados de los distintos objetos que nos rodean. A menudo, no es posible cablear determinados sensores por lo que ese aumento en la utilización de soluciones tecnológicas, se ha visto traducido en un aumento de la necesidad de utilización de sensórica sin cables para poder hacer telemetrías correctas. A nivel social, el aumento de la demografía mundial está estrechamente ligado al aumento de la necesidad de servicios tecnológicos, por lo que es lógico pensar que a más habitantes, más tecnología será consumida. El objetivo de este Proyecto Final de Carrera está basado en la utilización de diversos nodos o también llamados motas capaces de realizar transferencia de datos en modo sin cables, permitiendo así realizar una aplicación real que solvente problemas generados por el aumento de la densidad de población. En concreto se busca la realización de un sistema de aparcamiento inteligente para estacionamientos en superficie, ayudando por tanto a las tareas de ordenación vehicular dentro del marco de las Smart cities. El sistema está basado en el protocolo de comunicaciones 802.15.4 (ZigBee) cuyas características fundamentales radican en el bajo consumo de energía de los componentes hardware asociados. En primer lugar se realizará un Estado del Arte de las Redes Inalámbricas de Sensores, abordando tanto la arquitectura como el estándar Zigbee y finalmente los componentes XBee que se van a utilizar en este Proyecto. Seguidamente se realizará la algoritmia necesaria para el buen funcionamiento del sistema inteligente de estacionamiento y finalmente se realizará un piloto demostrador del correcto funcionamiento de la tecnología. ABSTRACT In the last decades the world has experienced an exponential increase in the use of technological solutions, which has resulted in the need to measure situations or states of the objects around us. Often, wired sensors cannot be used at many situations, so the increase in the use of technological solutions, has been translated into a increase of the need of using wireless sensors to make correct telemetries. At the social level, the increase in global demographics is closely linked to the increased need for technological services, so it is logical that more people, more technology will be consumed. The objective of this Final Project is based on the use of various nodes or so-called motes, capable of performing data transfer in wireless mode, thereby allowing performing a real application solving problems generated by the increase of population densities. Specifically looking for the realization of a smart outdoor parking system, thus helping to vehicular management tasks within the framework of the Smart Cities. The system is based on the communication protocol 802.15.4 (ZigBee) whose main characteristics lie in the low energy consumption associated to the hardware components. First there will be a State of the Art of Wireless Sensor Networks, addressing both architecture and finally the Zigbee standard XBee components to be used in this project. Then the necessary algorithms will be developed for the proper working of the intelligent parking system and finally there will be a pilot demonstrator validating the whole system.

VladBot. Robot para posicionamiento de medida

VladBot es un robot autónomo diseñado para posicionar en interiores un micrófono de medida. Este prototipo puede valorar la idea de automatizar medidas acústicas en interiores mediante un robot autónomo. Posee dos ruedas motrices y una rueda loca. Ésta rueda loca aporta maniobrabilidad al robot. Un soporte extensible hecho de aluminio sostiene el micrófono de medida. VladBot ha sido diseñado con tecnologías de bajo coste y bajo una plataforma abierta, Arduino. Arduino es una plataforma electrónica libre. Esto quiere decir que los usuarios tienen libre acceso a toda la información referente a los micro-controladores (hardware) y referente al software. Ofrece un IDE (Integrated Development Environment, en español, Entorno de Desarrollo Integrado) de forma gratuita y con un sencillo lenguaje de programación, con el que se pueden realizar proyectos de cualquier tipo. Además, los usuarios disponen de un foro donde encontrar ayuda, “Arduino Forum”. VladBot se comunica con el usuario a través de Bluetooth, creando un enlace fiable y con un alcance suficiente (aproximadamente 100 metros) para que controlar a VladBot desde una sala contigua. Hoy en día, Bluetooth es una tecnología implantada en casi todos los ordenadores, por lo que no necesario ningún sistema adicional para crear dicho enlace. Esta comunicación utiliza un protocolo de comunicaciones, JSON (JavaScript Object Notation). JSON hace que la comunicación sea más fiable, ya que sólo un tipo de mensajes preestablecidos son reconocidos. Gracias a este protocolo es posible la comunicación con otro software, permitiendo crear itinerarios en otro programa externo. El diseño de VladBot favorece su evolución hasta un sistema más preciso ya que el usuario puede realizar modificaciones en el robot. El código que se proporciona puede ser modificado, aumentando las funcionalidades de VladBot o mejorándolas. Sus componentes pueden ser cambiados también (incluso añadir nuevos dispositivos) para aumentar sus capacidades. Vladbot es por tanto, un sistema de transporte (de bajo coste) para un micrófono de medida que se puede comunicar inalámbricamente con el usuario de manera fiable. ABSTRACT. VladBot is an autonomous robot designed to indoor positioning of a measurement microphone. This prototype can value the idea of making automatic acoustic measurements indoor with an autonomous robot. It has two drive wheels and a caster ball. This caster ball provides manoeuvrability to the robot. An extendible stand made in aluminium holds the measurement microphone. VladBot has been designed with low cost technologies and under an open-source platform, Arduino. Arduino is a freeFsource electronics platform. This means that users have free access to all the information about micro-controllers (hardware) and about the software. Arduino offers a free IDE (Integrated Development Environment) with an easy programming language, which any kind of project can be made with. Besides, users have a forum where find help, “Arduino Forum”. VladBot communicates with the user by Bluetooth, creating a reliable link with enough range (100 meters approximately) for controlling VladBot in the next room. Nowadays, Bluetooth is a technology embedded in almost laptops, so it is not necessary any additional system for create this link. This communication uses a communication protocol, JSON (JavaScript Object Notation). JSON makes the communication more reliable, since only a preFestablished kind of messages are recognised. Thanks to this protocol is possible the communication with another software, allowing to create routes in an external program. VladBot´s design favours its evolution to an accurate system since the user can make modifications in the robot. The code given can be changed, increasing VladBot´s uses or improving these uses. Their components can be changed too (even new devices can be added) for increasing its abilities. So, VladBot is a (low cost) transport system for a measurement microphone, which can communicate with the user in a reliable way.

Sistema de control de temperatura a través de Arduino y la tecnología GPRS/GSM

El principal objetivo de este proyecto consiste en estudiar las posibilidades de desarrollo de un sistema para el control de la temperatura basado en la plataforma Arduino. Con el fin de alcanzar dicho objetivo, se ha implementado un sistema que permite la consulta y control de la temperatura ambiente a través de la red de comunicaciones móviles. Tras un análisis previo de las distintas placas Arduino, se evalúan una serie de módulos de expansión (shields) compatibles con dicha plataforma que nos permiten ampliar sus funcionalidades, dotando al dispositivo de un sistema de comunicación basado en la tecnología GPRS/GSM. Se estudian los diferentes sensores de temperatura compatibles con Arduino, además de una serie de actuadores que contribuyen al accionamiento y control de un posible termostato, así como al desarrollo de un pequeño sistema de alarma capaz de detectar temperaturas extremas. El proyecto concluye con el diseño de una aplicación basada en el entorno de desarrollo Arduino que nos permita evaluar las distintas capacidades de nuestro sistema, así como comunicarnos con la plataforma a través de SMS para el control remoto de la temperatura. ABSTRACT. The goal of the project consists of studying the developmental possibilities of a temperature control system based on the Arduino platform. In order to this, there has been implemented a system to consult and manage the environmental temperature through mobile communication networks. After a previous assessment of the different Arduino boards, there are analysed a set of expansion modules (shields) compatibles with the platform that enables us to upgrade the device functionalities with the GPRS/GSM communication protocol. Different temperature sensors compatible with Arduino have been studied. In addition, there are evaluated a set of actuators for the operation and control of a thermostat and also the development of a small alarm system that alerts of extremes temperatures. The project concludes with the design of an application based on the Arduino development environment which allows us to evaluate the different capabilities of our system as well as the communication with the platform by SMS for the remote temperature control.

Herramientas de distribución de datos en un sistema Publish/Subscribe

El objetivo del presente trabajo es el desarrollo de una infraestructura de enrutamiento distribuida para un sistema publish/subscribe (en adelante pub/sub) que se incluirá en WireCloud, una plataforma para la composición de aplicaciones. Actualmente existen numerosas implementaciones de protocolos pub/sub en el mercado [3-6], y en este trabajo se hará un recorrido por aquellas con mayor relevancia, explicando sus características, ventajas y desventajas. De esta forma se podrán seleccionar aquellas cuyas prestaciones se adapten de la mejor forma posible a las necesidades de la plataforma. De entre todas las implementaciones existentes, algunas han sido simuladas para comprender mejor su funcionamiento. Esto permitió analizar las diferentes estrategias de enrutamiento de mensajes y qué estructuras de datos son las más óptimas para que el procesamiento de mensajes entrantes sea lo más rápido posible. Una vez que se determinó cuales son las estrategias y las estructuras de almacenamiento que mejor se adaptan a nuestro sistema, se ha procedido a la implementación real del sistema pub/sub en Java. Para cada uno de los módulos desarrollados se ha generado una serie de pruebas que permitirán comprobar el correcto funcionamiento de los componentes cuando se produzcan cambios o ampliaciones. Además, este trabajo también incluye el análisis e implementación de un nuevo protocolo de comunicación entre los diferentes componentes debido a que el existente era lento y pesado al consumir gran cantidad de recursos. El protocolo de comunicación analizado está basado en RMI (Remote Method Invocation), y aunque no mejoró la eficiencia con que los mensajes eran enviados si que permitió reducir en gran medida el consumo de recursos (CPU y memoria RAM). ------------------------------------------------------------ The goal of the current project is the development of a distributed pub/sub system to include it on WireCloud which is a platform to build compositional applications. Several implementations of pub/sub systems [3-6] have been developed until now and this project explains some of them, their characteristic, advantages and disadvantages. Thus, the implementations which better adapt to the project needs have been selected. Some of these implementations have been simulated to get a better knowledge of their behavior. The aim of these simulations was to select the best strategies to route messages and the optimal structures to reduce the computation time of a received message. After defining the better strategies and structures, the real pub/sub system have been finally developed in Java. For each developed module, a set of tests have been built to check its correct behavior in case of changes or extensions. Besides, the project also includes the analysis and the implementation of a new communication protocol among the different components because the existing one was slow and consumed a lot of computer resources. The new communication protocol is based in RMI (Remote Method Invocation) and has improved the consumption of resources. However, the efficiency of this new protocol was worse than the one of the existing protocol.

Design and Validation of an Optimized MB-OFDM Ultra Wideband Transceiver System

Esta tesis está incluida dentro del campo del campo de Multiband Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ultra Wideband (MB-OFDM UWB), el cual ha adquirido una gran importancia en las comunicaciones inalámbricas de alta tasa de datos en la última década. UWB surgió con el objetivo de satisfacer la creciente demanda de conexiones inalámbricas en interiores y de uso doméstico, con bajo coste y alta velocidad. La disponibilidad de un ancho de banda grande, el potencial para alta velocidad de transmisión, baja complejidad y bajo consumo de energía, unido al bajo coste de implementación, representa una oportunidad única para que UWB se convierta en una solución ampliamente utilizada en aplicaciones de Wireless Personal Area Network (WPAN). UWB está definido como cualquier transmisión que ocupa un ancho de banda de más de 20% de su frecuencia central, o más de 500 MHz. En 2002, la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) definió que el rango de frecuencias de transmisión de UWB legal es de 3.1 a 10.6 GHz, con una energía de transmisión de -41.3 dBm/Hz. Bajo las directrices de FCC, el uso de la tecnología UWB puede aportar una enorme capacidad en las comunicaciones de corto alcance. Considerando las ecuaciones de capacidad de Shannon, incrementar la capacidad del canal requiere un incremento lineal en el ancho de banda, mientras que un aumento similar de la capacidad de canal requiere un aumento exponencial en la energía de transmisión. En los últimos años, s diferentes desarrollos del UWB han sido extensamente estudiados en diferentes áreas, entre los cuales, el protocolo de comunicaciones inalámbricas MB-OFDM UWB está considerado como la mejor elección y ha sido adoptado como estándar ISO/IEC para los WPANs. Combinando la modulación OFDM y la transmisión de datos utilizando las técnicas de salto de frecuencia, el sistema MB-OFDM UWB es capaz de soportar tasas de datos con que pueden variar de los 55 a los 480 Mbps, alcanzando una distancia máxima de hasta 10 metros. Se esperara que la tecnología MB-OFDM tenga un consumo energético muy bajo copando un are muy reducida en silicio, proporcionando soluciones de bajo coste que satisfagan las demandas del mercado. Para cumplir con todas estas expectativas, el desarrollo y la investigación del MBOFDM UWB deben enfrentarse a varios retos, como son la sincronización de alta sensibilidad, las restricciones de baja complejidad, las estrictas limitaciones energéticas, la escalabilidad y la flexibilidad. Tales retos requieren un procesamiento digital de la señal de última generación, capaz de desarrollar sistemas que puedan aprovechar por completo las ventajas del espectro UWB y proporcionar futuras aplicaciones inalámbricas en interiores. Esta tesis se centra en la completa optimización de un sistema de transceptor de banda base MB-OFDM UWB digital, cuyo objetivo es investigar y diseñar un subsistema de comunicación inalámbrica para la aplicación de las Redes de Sensores Inalámbricas Visuales. La complejidad inherente de los procesadores FFT/IFFT y el sistema de sincronización así como la alta frecuencia de operación para todos los elementos de procesamiento, se convierten en el cuello de la botella para el diseño y la implementación del sistema de UWB digital en base de banda basado en MB-OFDM de baja energía. El objetivo del transceptor propuesto es conseguir baja energía y baja complejidad bajo la premisa de un alto rendimiento. Las optimizaciones están realizadas tanto a nivel algorítmico como a nivel arquitectural para todos los elementos del sistema. Una arquitectura hardware eficiente en consumo se propone en primer lugar para aquellos módulos correspondientes a núcleos de computación. Para el procesado de la Transformada Rápida de Fourier (FFT/IFFT), se propone un algoritmo mixed-radix, basado en una arquitectura con pipeline y se ha desarrollado un módulo de Decodificador de Viterbi (VD) equilibrado en coste-velocidad con el objetivo de reducir el consumo energético e incrementar la velocidad de procesamiento. También se ha implementado un correlador signo-bit simple basado en la sincronización del tiempo de símbolo es presentado. Este correlador es usado para detectar y sincronizar los paquetes de OFDM de forma robusta y precisa. Para el desarrollo de los subsitemas de procesamiento y realizar la integración del sistema completo se han empleado tecnologías de última generación. El dispositivo utilizado para el sistema propuesto es una FPGA Virtex 5 XC5VLX110T del fabricante Xilinx. La validación el propuesta para el sistema transceptor se ha implementado en dicha placa de FPGA. En este trabajo se presenta un algoritmo, y una arquitectura, diseñado con filosofía de co-diseño hardware/software para el desarrollo de sistemas de FPGA complejos. El objetivo principal de la estrategia propuesta es de encontrar una metodología eficiente para el diseño de un sistema de FPGA configurable optimizado con el empleo del mínimo esfuerzo posible en el sistema de procedimiento de verificación, por tanto acelerar el periodo de desarrollo del sistema. La metodología de co-diseño presentada tiene la ventaja de ser fácil de usar, contiene todos los pasos desde la propuesta del algoritmo hasta la verificación del hardware, y puede ser ampliamente extendida para casi todos los tipos de desarrollos de FPGAs. En este trabajo se ha desarrollado sólo el sistema de transceptor digital de banda base por lo que la comprobación de señales transmitidas a través del canal inalámbrico en los entornos reales de comunicación sigue requiriendo componentes RF y un front-end analógico. No obstante, utilizando la metodología de co-simulación hardware/software citada anteriormente, es posible comunicar el sistema de transmisor y el receptor digital utilizando los modelos de canales propuestos por IEEE 802.15.3a, implementados en MATLAB. Por tanto, simplemente ajustando las características de cada modelo de canal, por ejemplo, un incremento del retraso y de la frecuencia central, podemos estimar el comportamiento del sistema propuesto en diferentes escenarios y entornos. Las mayores contribuciones de esta tesis son: • Se ha propuesto un nuevo algoritmo 128-puntos base mixto FFT usando la arquitectura pipeline multi-ruta. Los complejos multiplicadores para cada etapa de procesamiento son diseñados usando la arquitectura modificada shiftadd. Los sistemas word length y twiddle word length son comparados y seleccionados basándose en la señal para cuantización del SQNR y el análisis de energías. • El desempeño del procesador IFFT es analizado bajo diferentes situaciones aritméticas de bloques de punto flotante (BFP) para el control de desbordamiento, por tanto, para encontrar la arquitectura perfecta del algoritmo IFFT basado en el procesador FFT propuesto. • Para el sistema de receptor MB-OFDM UWB se ha empleado una sincronización del tiempo innovadora, de baja complejidad y esquema de compensación, que consiste en funciones de Detector de Paquetes (PD) y Estimación del Offset del tiempo. Simplificando el cross-correlation y maximizar las funciones probables solo a sign-bit, la complejidad computacional se ve reducida significativamente. • Se ha propuesto un sistema de decodificadores Viterbi de 64 estados de decisión-débil usando velocidad base-4 de arquitectura suma-comparaselecciona. El algoritmo Two-pointer Even también es introducido en la unidad de rastreador de origen con el objetivo de conseguir la eficiencia en el hardware. • Se han integrado varias tecnologías de última generación en el completo sistema transceptor basebanda , con el objetivo de implementar un sistema de comunicación UWB altamente optimizado. • Un diseño de flujo mejorado es propuesto para el complejo sistema de implementación, el cual puede ser usado para diseños de Cadena de puertas de campo programable general (FPGA). El diseño mencionado no sólo reduce dramáticamente el tiempo para la verificación funcional, sino también provee un análisis automático como los errores del retraso del output para el sistema de hardware implementado. • Un ambiente de comunicación virtual es establecido para la validación del propuesto sistema de transceptores MB-OFDM. Este método es provisto para facilitar el uso y la conveniencia de analizar el sistema digital de basebanda sin parte frontera analógica bajo diferentes ambientes de comunicación. Esta tesis doctoral está organizada en seis capítulos. En el primer capítulo se encuentra una breve introducción al campo del UWB, tanto relacionado con el proyecto como la motivación del desarrollo del sistema de MB-OFDM. En el capítulo 2, se presenta la información general y los requisitos del protocolo de comunicación inalámbrica MBOFDM UWB. En el capítulo 3 se habla de la arquitectura del sistema de transceptor digital MB-OFDM de banda base . El diseño del algoritmo propuesto y la arquitectura para cada elemento del procesamiento está detallado en este capítulo. Los retos de diseño del sistema que involucra un compromiso de discusión entre la complejidad de diseño, el consumo de energía, el coste de hardware, el desempeño del sistema, y otros aspectos. En el capítulo 4, se ha descrito la co-diseñada metodología de hardware/software. Cada parte del flujo del diseño será detallado con algunos ejemplos que se ha hecho durante el desarrollo del sistema. Aprovechando esta estrategia de diseño, el procedimiento de comunicación virtual es llevado a cabo para probar y analizar la arquitectura del transceptor propuesto. Los resultados experimentales de la co-simulación y el informe sintético de la implementación del sistema FPGA son reflejados en el capítulo 5. Finalmente, en el capítulo 6 se incluye las conclusiones y los futuros proyectos, y también los resultados derivados de este proyecto de doctorado. ABSTRACT In recent years, the Wireless Visual Sensor Network (WVSN) has drawn great interest in wireless communication research area. They enable a wealth of new applications such as building security control, image sensing, and target localization. However, nowadays wireless communication protocols (ZigBee, Wi-Fi, and Bluetooth for example) cannot fully satisfy the demands of high data rate, low power consumption, short range, and high robustness requirements. New communication protocol is highly desired for such kind of applications. The Ultra Wideband (UWB) wireless communication protocol, which has increased in importance for high data rate wireless communication field, are emerging as an important topic for WVSN research. UWB has emerged as a technology that offers great promise to satisfy the growing demand for low-cost, high-speed digital wireless indoor and home networks. The large bandwidth available, the potential for high data rate transmission, and the potential for low complexity and low power consumption, along with low implementation cost, all present a unique opportunity for UWB to become a widely adopted radio solution for future Wireless Personal Area Network (WPAN) applications. UWB is defined as any transmission that occupies a bandwidth of more than 20% of its center frequency, or more than 500 MHz. In 2002, the Federal Communications Commission (FCC) has mandated that UWB radio transmission can legally operate in the range from 3.1 to 10.6 GHz at a transmitter power of －41.3 dBm/Hz. Under the FCC guidelines, the use of UWB technology can provide enormous capacity over short communication ranges. Considering Shannon’s capacity equations, increasing the channel capacity requires linear increasing in bandwidth, whereas similar channel capacity increases would require exponential increases in transmission power. In recent years, several different UWB developments has been widely studied in different area, among which, the MB-OFDM UWB wireless communication protocol is considered to be the leading choice and has recently been adopted in the ISO/IEC standard for WPANs. By combing the OFDM modulation and data transmission using frequency hopping techniques, the MB-OFDM UWB system is able to support various data rates, ranging from 55 to 480 Mbps, over distances up to 10 meters. The MB-OFDM technology is expected to consume very little power and silicon area, as well as provide low-cost solutions that can satisfy consumer market demands. To fulfill these expectations, MB-OFDM UWB research and development have to cope with several challenges, which consist of high-sensitivity synchronization, low- complexity constraints, strict power limitations, scalability, and flexibility. Such challenges require state-of-the-art digital signal processing expertise to develop systems that could fully take advantages of the UWB spectrum and support future indoor wireless applications. This thesis focuses on fully optimization for the MB-OFDM UWB digital baseband transceiver system, aiming at researching and designing a wireless communication subsystem for the Wireless Visual Sensor Networks (WVSNs) application. The inherent high complexity of the FFT/IFFT processor and synchronization system, and high operation frequency for all processing elements, becomes the bottleneck for low power MB-OFDM based UWB digital baseband system hardware design and implementation. The proposed transceiver system targets low power and low complexity under the premise of high performance. Optimizations are made at both algorithm and architecture level for each element of the transceiver system. The low-power hardwareefficient structures are firstly proposed for those core computation modules, i.e., the mixed-radix algorithm based pipelined architecture is proposed for the Fast Fourier Transform (FFT/IFFT) processor, and the cost-speed balanced Viterbi Decoder (VD) module is developed, in the aim of lowering the power consumption and increasing the processing speed. In addition, a low complexity sign-bit correlation based symbol timing synchronization scheme is presented so as to detect and synchronize the OFDM packets robustly and accurately. Moreover, several state-of-the-art technologies are used for developing other processing subsystems and an entire MB-OFDM digital baseband transceiver system is integrated. The target device for the proposed transceiver system is Xilinx Virtex 5 XC5VLX110T FPGA board. In order to validate the proposed transceiver system in the FPGA board, a unified algorithm-architecture-circuit hardware/software co-design environment for complex FPGA system development is presented in this work. The main objective of the proposed strategy is to find an efficient methodology for designing a configurable optimized FPGA system by using as few efforts as possible in system verification procedure, so as to speed up the system development period. The presented co-design methodology has the advantages of easy to use, covering all steps from algorithm proposal to hardware verification, and widely spread for almost all kinds of FPGA developments. Because only the digital baseband transceiver system is developed in this thesis, the validation of transmitting signals through wireless channel in real communication environments still requires the analog front-end and RF components. However, by using the aforementioned hardware/software co-simulation methodology, the transmitter and receiver digital baseband systems get the opportunity to communicate with each other through the channel models, which are proposed from the IEEE 802.15.3a research group, established in MATLAB. Thus, by simply adjust the characteristics of each channel model, e.g. mean excess delay and center frequency, we can estimate the transmission performance of the proposed transceiver system through different communication situations. The main contributions of this thesis are: • A novel mixed radix 128-point FFT algorithm by using multipath pipelined architecture is proposed. The complex multipliers for each processing stage are designed by using modified shift-add architectures. The system wordlength and twiddle word-length are compared and selected based on Signal to Quantization Noise Ratio (SQNR) and power analysis. • IFFT processor performance is analyzed under different Block Floating Point (BFP) arithmetic situations for overflow control, so as to find out the perfect architecture of IFFT algorithm based on the proposed FFT processor. • An innovative low complex timing synchronization and compensation scheme, which consists of Packet Detector (PD) and Timing Offset Estimation (TOE) functions, for MB-OFDM UWB receiver system is employed. By simplifying the cross-correlation and maximum likelihood functions to signbit only, the computational complexity is significantly reduced. • A 64 state soft-decision Viterbi Decoder system by using high speed radix-4 Add-Compare-Select architecture is proposed. Two-pointer Even algorithm is also introduced into the Trace Back unit in the aim of hardware-efficiency. • Several state-of-the-art technologies are integrated into the complete baseband transceiver system, in the aim of implementing a highly-optimized UWB communication system. • An improved design flow is proposed for complex system implementation which can be used for general Field-Programmable Gate Array (FPGA) designs. The design method not only dramatically reduces the time for functional verification, but also provides automatic analysis such as errors and output delays for the implemented hardware systems. • A virtual communication environment is established for validating the proposed MB-OFDM transceiver system. This methodology is proved to be easy for usage and convenient for analyzing the digital baseband system without analog frontend under different communication environments. This PhD thesis is organized in six chapters. In the chapter 1 a brief introduction to the UWB field, as well as the related work, is done, along with the motivation of MBOFDM system development. In the chapter 2, the general information and requirement of MB-OFDM UWB wireless communication protocol is presented. In the chapter 3, the architecture of the MB-OFDM digital baseband transceiver system is presented. The design of the proposed algorithm and architecture for each processing element is detailed in this chapter. Design challenges of such system involve trade-off discussions among design complexity, power consumption, hardware cost, system performance, and some other aspects. All these factors are analyzed and discussed. In the chapter 4, the hardware/software co-design methodology is proposed. Each step of this design flow will be detailed by taking some examples that we met during system development. Then, taking advantages of this design strategy, the Virtual Communication procedure is carried out so as to test and analyze the proposed transceiver architecture. Experimental results from the co-simulation and synthesis report of the implemented FPGA system are given in the chapter 5. The chapter 6 includes conclusions and future work, as well as the results derived from this PhD work.