IEEE 1451-based multi-interface module (I2M) for industrial processes automation

This paper describes the implementation of a multi-interface module (I2M) for automation of industrial processes, based on the IEEE1451 standard. Process automation with I2M can communicate through either wires or using wireless communication, without any hardware or software changes. We used FPGA resources to implement the I2M functions FPGA, with a NIOS II processor and ZigBee communication system (IEEE802.15), as well as RS232 serial standard. Part of the project was done in the SOPC Builder environment, which gave the designer flexibility and speed to implement the NIOS II-based microprocessor system. To test the I2M implementation, a didactic Industrial Hydraulic Module (MHI-01) was used to simulate two industrial processes to be controlled by the system proposed.

Network node with wireless and wired interfaces: Nios II processor and uClinux to development of a NCAP embedded (IEEE 1451.1) with two interfaces, wireless (IEEE 1451.5) and wired (IEEE p1451.2)

This paper presents a NCAP embedded on DE2 kit with Nios II processor and uClinux to development of a network gateway with two interfaces, wireless (ZigBee) and wired (RS232) based on IEEE 1451. Both the communications, wireless and wired, were developed to be point-to-point and working with the same protocols, based on IEEE 1451.0-2007. The tests were made using a microcomputer, which through of browser was possible access the web page stored in the DE2 kit and send commands of control and monitoring to both TIMs (WTIM and STIM). The system describes a different form of development of the NCAP node to be applied in different environments with wired or wireless in the same node. © 2011 IEEE.

NCAP embedded using structured programming

This paper presents a network node embedded based on IEEE 1451 standard developed using structured programming to access the transducers in the WTIM. The NCAP was developed using Nios II processor and uClinux, a embedded operating system developed to features restricted hardware. Both hardware and software have dynamics features and they can be configured based in the application features. Based in this features, the NCAP was developed using the minimum components of hardware and software to that being implemented in remote environment like central point of data request. Many NCAP works are implemented with an object oriented structure. This is different from the surrounding implementations. In this project the NCAP was developed using structured programming. The tests of the NCAP were made using a ZigBee interface between NCAP and WTIM and the system demonstrated in areas of difficult access for long period of time due to need for low power consumption. © 2012 IEEE.

Desenvolvimento de um sistema de medição de baixo custo para a monitoração de alimentadores aéreos de distribuição de energia elétrica da classe 15 KV

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Desenvolvimento de um nó de rede com diferentes interfaces de acordo com o padrão IEEE 1451 utilizando o processador nios II e o sistema operacional embarcado uclinux

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Desenvolvimento, implementação e testes de um sistema de comunicação sem fio heterogêneo para acesso à serviços: aplicações na telemedicina e domótica

Nos últimos de 20 anos, economia e tecnologia evoluíram em muitas direções e em novas áreas. Muitas dessas evoluções criaram oportunidades que estão sendo consideradas na concepção de futuras redes de comunicação. Estas novas possibilidades estão relacionadas à, sobretudo, utilização da internet para o acesso à serviços e englobam: mobilidade; tecnologias de baixo custo; crescimento e empregos (pela Internet participa-se de cada processo de negócios e produção); serviços; educação (oportunidade para as pessoas crescerem e se desenvolverem); entretenimento (mundos virtuais para o lazer, compras e jogos); volume de tráfego maior (texto, voz, imagens, vídeo). Como uma consequência, a Internet se tornou, semelhante a eletricidade ou água, um bem público. Com quase 2 bilhões de usuários (aproximadamente 28% da população mundial), a Internet está se tornando, cada vez mais, uma infraestrutura difusivo oferecendo em qualquer lugar, a qualquer momento conectividade e serviços. Este mundo da Internet atual é o resultado de sucessivas alterações que aconteceram desde o seu surgimento e que tornaram a infraestrutura de comunicação de importância crítica. Em termos de tecnologias de comunicação, os sistemas móveis sem fio têm um lugar especial devido a sua difusão excepcional na última década e que, junto com a Internet, tem permitido o aparecimento de dispositivos inteligentes, a introdução de novos serviços inovadores e exigindo, para tanto, um ambiente que suporte a inovação e criatividade. Porém, os vários padrões de redes para suporte, principalmente, ao acesso de última milha são desvantagens na perspectiva do usuário, pois este tem de se habilitar nessas redes (contratar os serviços) e, não raro, ter terminais específicos para o acesso. A idéia de um padrão único para estas redes não obteve resultados satisfatórios e uma solução aponta para a integração dessas redes para prover acesso único e transparente ao usuário. Esse trabalho, portanto, apresenta uma solução embarcada para integrar padrões de comunicações sem fio heterogênea do tipo IEEE 802.15.4 ZigBee, IEEE 802.20 GSM/GPRS e IEEE 802.2 Wi-Fi. Essa heterogeneidade de tecnologias sem fio permite a um usuário em movimento, através de seu terminal local ou remoto, acessar aplicativos e serviços de forma transparente. A avaliação de desempenho da solução foi realizada utilizando-se dois tipos de serviços: domótica e telemedicina. Os resultados indicaram que a solução proposta consegue integrar e prover os serviços com segurança e confiabilidade.

Projeto e implementação de um nodo sensor para aquisição de sinais de extensômetros em redes de sensores sem fio aplicado ao monitoramento de deformações em estruturas

Esta dissertação tem como objetivo principal propor um nodo (ou nó) sensor sem fio para ser utilizado em redes de sensores sem fio, em sistemas de aquisição de dados de extensômetros. O sistema de aquisição para os extensômetros é baseado na ponte de Wheatstone e de modo a permitir várias configurações de extensômetros. O processamento e a comunicação sem fio é realizada pelo ATmega128RFA1, composto por um microcontrolador e um transceiver Rádio-Frequência com o padrão Zigbee. O nodo foi projetado para garantir confiabilidade na aquisição de dados e ser totalmente controlado remotamente. Entre os parâmetros controláveis estão: o ganho do sinal e a taxa de amostragem. Além disso, o nodo possui recursos para efetuar o equilíbrio da ponte de Wheatstone automaticamente. A escolha de seus componentes, baseou-se em critérios relacionados ao consumo de energia do mesmo e ao custo. Foi concebida uma placa de circuito impresso (PCI) para o nodo, e sobre ela foram realizadas estimativas sobre o consumo de energia e valor agregado do protótipo, com o objetivo de analisar a sua viabilidade. Além do projeto do nodo sensor, o trabalho apresenta a proposta de integração do mesmo em uma rede de sensores sem fio (RSSF), incluindo a sugestão do hardware complementar e desenvolvimentos dos softwares. Para os testes do nodo sensor, foi construido experimentalmente um transdutor de força.

Desenvolvimento de um sistema para monitoramento remoto em centrais de microgeração fotovoltaica

Pós-graduação em Agronomia (Energia na Agricultura) - FCA

MODEL-BASED COMPENSATION FOR BURST MESSAGE LOSS IN WIRELESS NETWORKED CONTROL SYSTEMS: EXPERIMENTAL RESULTS

A recent trend in networked control systems (NCSs) is the use of wireless networks enabling interoperability between existing wired and wireless systems. One of the major challenges in these wireless NCSs (WNCSs) is to overcome the impact of the message loss that degrades the performance and stability of these systems. Moreover, this impact is greater when dealing with burst or successive message losses. This paper discusses and presents the experimental results of a compensation strategy to deal with this burst message loss problem in which a NCS mathematical model runs in parallel with the physical process, providing sensor virtual data in case of packet losses. Running in real-time inside the controller, the mathematical model is updated online with real control signals sent to the actuator, which provides better reliability for the estimated sensor feedback (virtual data) transmitted to the controller each time a message loss occurs. In order to verify the advantages of applying this model-based compensation strategy for burst message losses in WNCSs, the control performance of a motor control system using CAN and ZigBee networks is analyzed. Experimental results led to the conclusion that the developed compensation strategy provided robustness and could maintain the control performance of the WNCS against different message loss scenarios.

Sistema de iluminação inteligente através de redes de sensores wireless

The objective of this project is to collaborate with the society, working on a subject that is directly linked to issues of sustainability and environmental preservation. For this, a survey is being developed in order to make possible the creation of an intelligent mechanism, with the use of wireless solutions for the control of energy consumption in order to meet the needs of quality of life and reduce the average consumption of electrical energy. An intelligent lighting system can be explained simply, as an interconnected network of lamps in order to meet needs such as light intensity, the location of it, the moment will turn on or turn off the lights, among other possibilities. This network of lamps is controlled by algorithms implemented using microcontrollers, which may or may not have changed its characteristics. This can be automatic (pre-programmed by the administrator) or manual (controlled via a remote control, phones, etc.), and will depend upon the manager himself and also the characteristics imposed on the project. However, it is important to note that after the search is complete, decisions will be consistent with the Brazilian reality, ie, this system can only be feasible if it has all the characteristics described above, but with an affordable price so that people can acquire it

Desenvolvimento de um sistema de SHM sem fio e com compensação automática de temperatura

Pós-graduação em Engenharia Elétrica - FEIS

Leveraging wireless devices for networked control systems in industrial applications

Networked control systems (NCSs) are distributed control system in which sensors, actuators and controllers are physically separated and connected through communication networks. NCS represent the evolution of networked control architectures providing greater modularity and control decentralization, ease maintenance and diagnosis and lower cost of implementation. A recent trend in this research topic is the development of NCS using wireless networks(WNCS)which enable interoperability between existing wiredand wireless systems. This paper presents the feasibility analysis of using serial to wireless converter as a wireless sensor link in NCS. In order to support this investigation, relevant performance metrics for wireless control applications such as jitter, time delay and messages lost are highlighted and calculated to evaluate the wireless converter capabilities. In addition the control performance of an implemented motor control system using the converter is analyzed. Experimental results led to the conclusion that serial ZigBee device isrecommended against the Bluetooth as it provided better metrics for control applications. However, bothdevices can be used to implement WNCS providing transmission rates and closed control loop times which are acceptable for NCS applications.Moreoverthe use of thewireless device delay in the PID controller discretization can improve the control performance of the system.

Body ares networks for human motor assessment

Healthcare, Human Computer Interfaces (HCI), Security and Biometry are the most promising application scenario directly involved in the Body Area Networks (BANs) evolution. Both wearable devices and sensors directly integrated in garments envision a word in which each of us is supervised by an invisible assistant monitoring our health and daily-life activities. New opportunities are enabled because improvements in sensors miniaturization and transmission efficiency of the wireless protocols, that achieved the integration of high computational power aboard independent, energy-autonomous, small form factor devices. Application’s purposes are various: (I) data collection to achieve off-line knowledge discovery; (II) user notification of his/her activities or in case a danger occurs; (III) biofeedback rehabilitation; (IV) remote alarm activation in case the subject need assistance; (V) introduction of a more natural interaction with the surrounding computerized environment; (VI) users identification by physiological or behavioral characteristics. Telemedicine and mHealth [1] are two of the leading concepts directly related to healthcare. The capability to borne unobtrusiveness objects supports users’ autonomy. A new sense of freedom is shown to the user, not only supported by a psychological help but a real safety improvement. Furthermore, medical community aims the introduction of new devices to innovate patient treatments. In particular, the extension of the ambulatory analysis in the real life scenario by proving continuous acquisition. The wide diffusion of emerging wellness portable equipment extended the usability of wearable devices also for fitness and training by monitoring user performance on the working task. The learning of the right execution techniques related to work, sport, music can be supported by an electronic trainer furnishing the adequate aid. HCIs made real the concept of Ubiquitous, Pervasive Computing and Calm Technology introduced in the 1988 by Marc Weiser and John Seeley Brown. They promotes the creation of pervasive environments, enhancing the human experience. Context aware, adaptive and proactive environments serve and help people by becoming sensitive and reactive to their presence, since electronics is ubiquitous and deployed everywhere. In this thesis we pay attention to the integration of all the aspects involved in a BAN development. Starting from the choice of sensors we design the node, configure the radio network, implement real-time data analysis and provide a feedback to the user. We present algorithms to be implemented in wearable assistant for posture and gait analysis and to provide assistance on different walking conditions, preventing falls. Our aim, expressed by the idea to contribute at the development of a non proprietary solutions, driven us to integrate commercial and standard solutions in our devices. We use sensors available on the market and avoided to design specialized sensors in ASIC technologies. We employ standard radio protocol and open source projects when it was achieved. The specific contributions of the PhD research activities are presented and discussed in the following. • We have designed and build several wireless sensor node providing both sensing and actuator capability making the focus on the flexibility, small form factor and low power consumption. The key idea was to develop a simple and general purpose architecture for rapid analysis, prototyping and deployment of BAN solutions. Two different sensing units are integrated: kinematic (3D accelerometer and 3D gyroscopes) and kinetic (foot-floor contact pressure forces). Two kind of feedbacks were implemented: audio and vibrotactile. • Since the system built is a suitable platform for testing and measuring the features and the constraints of a sensor network (radio communication, network protocols, power consumption and autonomy), we made a comparison between Bluetooth and ZigBee performance in terms of throughput and energy efficiency. Test in the field evaluate the usability in the fall detection scenario. • To prove the flexibility of the architecture designed, we have implemented a wearable system for human posture rehabilitation. The application was developed in conjunction with biomedical engineers who provided the audio-algorithms to furnish a biofeedback to the user about his/her stability. • We explored off-line gait analysis of collected data, developing an algorithm to detect foot inclination in the sagittal plane, during walk. • In collaboration with the Wearable Lab – ETH, Zurich, we developed an algorithm to monitor the user during several walking condition where the user carry a load. The remainder of the thesis is organized as follows. Chapter I gives an overview about Body Area Networks (BANs), illustrating the relevant features of this technology and the key challenges still open. It concludes with a short list of the real solutions and prototypes proposed by academic research and manufacturers. The domain of the posture and gait analysis, the methodologies, and the technologies used to provide real-time feedback on detected events, are illustrated in Chapter II. The Chapter III and IV, respectively, shown BANs developed with the purpose to detect fall and monitor the gait taking advantage by two inertial measurement unit and baropodometric insoles. Chapter V reports an audio-biofeedback system to improve balance on the information provided by the use centre of mass. A walking assistant based on the KNN classifier to detect walking alteration on load carriage, is described in Chapter VI.

Connessione di sitemi a microcontrollore con reti geografiche

Fra le varie ragioni della crescente pervasività di Internet in molteplici settori di mercato del tutto estranei all’ICT, va senza dubbio evidenziata la possibilità di creare canali di comunicazione attraverso i quali poter comandare un sistema e ricevere da esso informazioni di qualsiasi genere, qualunque distanza separi controllato e controllore. Nel caso specifico, il contesto applicativo è l’automotive: in collaborazione col Dipartimento di Ingegneria Elettrica dell’Università di Bologna, ci si è occupati del problema di rendere disponibile a distanza la grande quantità di dati che i vari sotto-sistemi componenti una automobile elettrica si scambiano fra loro, sia legati al tipo di propulsione, elettrico appunto, come i livelli di carica delle batterie o la temperatura dell’inverter, sia di natura meccanica, come i giri motore. L’obiettivo è quello di permettere all’utente (sia esso il progettista, il tecnico riparatore o semplicemente il proprietario) il monitoraggio e la supervisione dello stato del mezzo da remoto nelle sue varie fasi di vita: dai test eseguiti su prototipo in laboratorio, alla messa in strada, alla manutenzione ordinaria e straordinaria. L’approccio individuato è stato quello di collezionare e memorizzare in un archivio centralizzato, raggiungibile via Internet, tutti i dati necessari. Il sistema di elaborazione a bordo richiede di essere facilmente integrabile, quindi di piccole dimensioni, e a basso costo, dovendo prevedere la produzione di molti veicoli; ha inoltre compiti ben definiti e noti a priori. Data la situazione, si è quindi scelto di usare un sistema embedded, cioè un sistema elettronico di elaborazione progettato per svolgere un limitato numero di funzionalità specifiche sottoposte a vincoli temporali e/o economici. Apparati di questo tipo sono denominati “special purpose”, in opposizione ai sistemi di utilità generica detti “general purpose” quali, ad esempio, i personal computer, proprio per la loro capacità di eseguire ripetutamente un’azione a costo contenuto, tramite un giusto compromesso fra hardware dedicato e software, chiamato in questo caso “firmware”. I sistemi embedded hanno subito nel corso del tempo una profonda evoluzione tecnologica, che li ha portati da semplici microcontrollori in grado di svolgere limitate operazioni di calcolo a strutture complesse in grado di interfacciarsi a un gran numero di sensori e attuatori esterni oltre che a molte tecnologie di comunicazione. Nel caso in esame, si è scelto di affidarsi alla piattaforma open-source Arduino; essa è composta da un circuito stampato che integra un microcontrollore Atmel da programmare attraverso interfaccia seriale, chiamata Arduino board, ed offre nativamente numerose funzionalità, quali ingressi e uscite digitali e analogici, supporto per SPI, I2C ed altro; inoltre, per aumentare le possibilità d’utilizzo, può essere posta in comunicazione con schede elettroniche esterne, dette shield, progettate per le più disparate applicazioni, quali controllo di motori elettrici, gps, interfacciamento con bus di campo quale ad esempio CAN, tecnologie di rete come Ethernet, Bluetooth, ZigBee, etc. L’hardware è open-source, ovvero gli schemi elettrici sono liberamente disponibili e utilizzabili così come gran parte del software e della documentazione; questo ha permesso una grande diffusione di questo frame work, portando a numerosi vantaggi: abbassamento del costo, ambienti di sviluppo multi-piattaforma, notevole quantità di documentazione e, soprattutto, continua evoluzione ed aggiornamento hardware e software. È stato quindi possibile interfacciarsi alla centralina del veicolo prelevando i messaggi necessari dal bus CAN e collezionare tutti i valori che dovevano essere archiviati. Data la notevole mole di dati da elaborare, si è scelto di dividere il sistema in due parti separate: un primo nodo, denominato Master, è incaricato di prelevare dall’autovettura i parametri, di associarvi i dati GPS (velocità, tempo e posizione) prelevati al momento della lettura e di inviare il tutto a un secondo nodo, denominato Slave, che si occupa di creare un canale di comunicazione attraverso la rete Internet per raggiungere il database. La denominazione scelta di Master e Slave riflette la scelta fatta per il protocollo di comunicazione fra i due nodi Arduino, ovvero l’I2C, che consente la comunicazione seriale fra dispositivi attraverso la designazione di un “master” e di un arbitrario numero di “slave”. La suddivisione dei compiti fra due nodi permette di distribuire il carico di lavoro con evidenti vantaggi in termini di affidabilità e prestazioni. Del progetto si sono occupate due Tesi di Laurea Magistrale; la presente si occupa del dispositivo Slave e del database. Avendo l’obiettivo di accedere al database da ovunque, si è scelto di appoggiarsi alla rete Internet, alla quale si ha oggi facile accesso da gran parte del mondo. Questo ha fatto sì che la scelta della tecnologia da usare per il database ricadesse su un web server che da un lato raccoglie i dati provenienti dall’autovettura e dall’altro ne permette un’agevole consultazione. Anch’esso è stato implementato con software open-source: si tratta, infatti, di una web application in linguaggio php che riceve, sotto forma di richieste HTTP di tipo GET oppure POST, i dati dal dispositivo Slave e provvede a salvarli, opportunamente formattati, in un database MySQL. Questo impone però che, per dialogare con il web server, il nodo Slave debba implementare tutti i livelli dello stack protocollare di Internet. Due differenti shield realizzano quindi il livello di collegamento, disponibile sia via cavo sia wireless, rispettivamente attraverso l’implementazione in un caso del protocollo Ethernet, nell’altro della connessione GPRS. A questo si appoggiano i protocolli TCP/IP che provvedono a trasportare al database i dati ricevuti dal dispositivo Master sotto forma di messaggi HTTP. Sono descritti approfonditamente il sistema veicolare da controllare e il sistema controllore; i firmware utilizzati per realizzare le funzioni dello Slave con tecnologia Ethernet e con tecnologia GPRS; la web application e il database; infine, sono presentati i risultati delle simulazioni e dei test svolti sul campo nel laboratorio DIE.

Progettazione e implementazione di applicazioni context-aware su dispositivi mobili

Il progetto descritto in questo documento consiste fondamentalmente nell'integrazione di applicazioni context-aware su dispositivi mobili con reti di sensori e nello studio delle problematiche derivanti, vantaggi e potenziali utilizzi. La rete è stata costruita sfruttando l'insieme di protocolli per comunicazioni via radio Zigbee, particolarmente adatti per interazione tra dispositivi a basso consumo energetico e che necessitano di uno scarso tasso di trasferimento di dati. Le informazioni ottenute da sensori di varia natura sono processate da microcontrollori Arduino, scelti per la loro versatilità di utilizzo e design open source. Uno o più dispositivi sono designati per aggregare i dati rilevati dai singoli nodi in un unico pacchetto di informazioni, semanticamente correlate tra loro, quindi emetterle in broadcast su una diversa interfaccia di rete, in modo che diverse applicazioni esterne in ascolto possano riceverle e manipolarle. Viene utilizzato un protocollo specifico per la comunicazione tra i microcontrollori e le applicazioni che si interfacciano con la rete, costruito su misura per dispositivi con risorse limitate. L'applicazione context-aware che interagisce con la rete è stata sviluppata su piattaforma Android, la cui particolare flessibilità favorisce una migliore capacità di gestire i dati ottenuti. Questa applicazione è in grado di comunicare con la rete, manipolare i dati ricevuti ed eventualmente intraprendere azioni specifiche in totale indipendenza dal suo utilizzatore. Obiettivo del progetto è quello di costruire un meccanismo di interazione tra le tecnologie più adattivo e funzionale possibile.