A middleware framework for wireless sensor network

Advances in wireless and Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) technology has given birth to a new technology field sensor networks. These new technologies along with pervasive computing have made the dream of a smart environment come true. Sensors being small and capable of sensing, processing and communicating data has opened a whole new era of applications from medicine to military and from indoors to outdoors. Sensor networks although exciting have very limited resources, for example, memory, processing power and bandwidth, with energy being the most precious resource as they are battery operated. However, these amazing devices can collaborate in order to perform a task. Due to these limitations and specific characteristics being application specific and heterogeneous there is a need to devise techniques and software which would utilize the meager resources efficiently keeping in view the unique characteristics of this network. This thesis presents a lightweight, flexible and energy-efficient middleware framework called MidWSeN which combines aspects of queries, events and context of WSN in a single system. It provides a combination of core and optional services which could be adjusted according to the resources available and specific requirements of the application. The availability of multiple copies of services distributed across the network helps in making the system robust. This middleware framework introduces a new Persistent Storage Service which saves data within the sensor network on the nodes for lifetime of the network to provide historical data. A Priority algorithm is being also presented in this thesis to ensure that enough memory is always available. A novel context enhanced aggregation has also been presented in this thesis which aggregates data with respect to context. Application management service (AMS) provides Service optimization within the network is another novel aspect of the proposed framework. To evaluate the functionality of the work presented, different parts of the framework have also been implemented. The tests and results are detailed to prove the ideas presented in the framework. The work has also been evaluated against a set of requirements and compared against existing works to indicate the novel aspects of framework. Finally some ideas are presented for the future works

Technique distribuée de gestion de la charge sur le réseau électrique et Ring-Tree : un nouveau système de communication P2P

Le réseau de distribution et de transport de l’électricité se modernise dans plusieurs pays dont le Canada. La nouvelle génération de ce réseau que l’on appelle smart grid, permet entre autre l’automatisation de la production, de la distribution et de la gestion de la charge chez les clients. D’un autre côté, des appareils domestiques intelligents munis d’une interface de communication pour des applications du smart grid commencent à apparaître sur le marché. Ces appareils intelligents pourraient créer une communauté virtuelle pour optimiser leurs consommations d’une façon distribuée. La gestion distribuée de ces charges intelligentes nécessite la communication entre un grand nombre d’équipements électriques. Ceci représente un défi important à relever surtout si on ne veut pas augmenter le coût de l’infrastructure et de la maintenance. Lors de cette thèse deux systèmes distincts ont été conçus : un système de communication peer-to-peer, appelé Ring-Tree, permettant la communication entre un nombre important de nœuds (jusqu’à de l’ordre de grandeur du million) tel que des appareils électriques communicants et une technique distribuée de gestion de la charge sur le réseau électrique. Le système de communication Ring-Tree inclut une nouvelle topologie réseau qui n’a jamais été définie ou exploitée auparavant. Il inclut également des algorithmes pour la création, l’exploitation et la maintenance de ce réseau. Il est suffisamment simple pour être mis en œuvre sur des contrôleurs associés aux dispositifs tels que des chauffe-eaux, chauffage à accumulation, bornes de recharges électriques, etc. Il n’utilise pas un serveur centralisé (ou très peu, seulement lorsqu’un nœud veut rejoindre le réseau). Il offr une solution distribuée qui peut être mise en œuvre sans déploiement d’une infrastructure autre que les contrôleurs sur les dispositifs visés. Finalement, un temps de réponse de quelques secondes pour atteindre l’ensemble du réseau peut être obtenu, ce qui est suffisant pour les besoins des applications visées. Les protocoles de communication s’appuient sur un protocole de transport qui peut être un de ceux utilisés sur l’Internet comme TCP ou UDP. Pour valider le fonctionnement de de la technique de contrôle distribuée et le système de communication Ring-Tree, un simulateur a été développé; un modèle de chauffe-eau, comme exemple de charge, a été intégré au simulateur. La simulation d’une communauté de chauffe-eaux intelligents a montré que la technique de gestion de la charge combinée avec du stockage d’énergie sous forme thermique permet d’obtenir, sans affecter le confort de l’utilisateur, des profils de consommation variés dont un profil de consommation uniforme qui représente un facteur de charge de 100%

Anpassen verteilter eingebetteter Anwendungen im laufenden Betrieb

The availability of third-party apps is among the key success factors for software ecosystems: The users benefit from more features and innovation speed, while third-party solution vendors can leverage the platform to create successful offerings. However, this requires a certain decoupling of engineering activities of the different parties not achieved for distributed control systems, yet. While late and dynamic integration of third-party components would be required, resulting control systems must provide high reliability regarding real-time requirements, which leads to integration complexity. Closing this gap would particularly contribute to the vision of software-defined manufacturing, where an ecosystem of modern IT-based control system components could lead to faster innovations due to their higher abstraction and availability of various frameworks. Therefore, this thesis addresses the research question: How we can use modern IT technologies and enable independent evolution and easy third-party integration of software components in distributed control systems, where deterministic end-to-end reactivity is required, and especially, how can we apply distributed changes to such systems consistently and reactively during operation? This thesis describes the challenges and related approaches in detail and points out that existing approaches do not fully address our research question. To tackle this gap, a formal specification of a runtime platform concept is presented in conjunction with a model-based engineering approach. The engineering approach decouples the engineering steps of component definition, integration, and deployment. The runtime platform supports this approach by isolating the components, while still offering predictable end-to-end real-time behavior. Independent evolution of software components is supported through a concept for synchronous reconfiguration during full operation, i.e., dynamic orchestration of components. Time-critical state transfer is supported, too, and can lead to bounded quality degradation, at most. The reconfiguration planning is supported by analysis concepts, including simulation of a formally specified system and reconfiguration, and analyzing potential quality degradation with the evolving dataflow graph (EDFG) method. A platform-specific realization of the concepts, the real-time container architecture, is described as a reference implementation. The model and the prototype are evaluated regarding their feasibility and applicability of the concepts by two case studies. The first case study is a minimalistic distributed control system used in different setups with different component variants and reconfiguration plans to compare the model and the prototype and to gather runtime statistics. The second case study is a smart factory showcase system with more challenging application components and interface technologies. The conclusion is that the concepts are feasible and applicable, even though the concepts and the prototype still need to be worked on in future -- for example, to reach shorter cycle times.Eine große Auswahl von Drittanbieter-Lösungen ist einer der Schlüsselfaktoren für Software Ecosystems: Nutzer profitieren vom breiten Angebot und schnellen Innovationen, während Drittanbieter über die Plattform erfolgreiche Lösungen anbieten können. Das jedoch setzt eine gewisse Entkopplung von Entwicklungsschritten der Beteiligten voraus, welche für verteilte Steuerungssysteme noch nicht erreicht wurde. Während Drittanbieter-Komponenten möglichst spät -- sogar Laufzeit -- integriert werden müssten, müssen Steuerungssysteme jedoch eine hohe Zuverlässigkeit gegenüber Echtzeitanforderungen aufweisen, was zu Integrationskomplexität führt. Dies zu lösen würde insbesondere zur Vision von Software-definierter Produktion beitragen, da ein Ecosystem für moderne IT-basierte Steuerungskomponenten wegen deren höherem Abstraktionsgrad und der Vielzahl verfügbarer Frameworks zu schnellerer Innovation führen würde. Daher behandelt diese Dissertation folgende Forschungsfrage: Wie können wir moderne IT-Technologien verwenden und unabhängige Entwicklung und einfache Integration von Software-Komponenten in verteilten Steuerungssystemen ermöglichen, wo Ende-zu-Ende-Echtzeitverhalten gefordert ist, und wie können wir insbesondere verteilte Änderungen an solchen Systemen konsistent und im Vollbetrieb vornehmen? Diese Dissertation beschreibt Herausforderungen und verwandte Ansätze im Detail und zeigt auf, dass existierende Ansätze diese Frage nicht vollständig behandeln. Um diese Lücke zu schließen, beschreiben wir eine formale Spezifikation einer Laufzeit-Plattform und einen zugehörigen Modell-basierten Engineering-Ansatz. Dieser Ansatz entkoppelt die Design-Schritte der Entwicklung, Integration und des Deployments von Komponenten. Die Laufzeit-Plattform unterstützt den Ansatz durch Isolation von Komponenten und zugleich Zeit-deterministischem Ende-zu-Ende-Verhalten. Unabhängige Entwicklung und Integration werden durch Konzepte für synchrone Rekonfiguration im Vollbetrieb unterstützt, also durch dynamische Orchestrierung. Dies beinhaltet auch Zeit-kritische Zustands-Transfers mit höchstens begrenzter Qualitätsminderung, wenn überhaupt. Rekonfigurationsplanung wird durch Analysekonzepte unterstützt, einschließlich der Simulation formal spezifizierter Systeme und Rekonfigurationen und der Analyse der etwaigen Qualitätsminderung mit dem Evolving Dataflow Graph (EDFG). Die Real-Time Container Architecture wird als Referenzimplementierung und Evaluationsplattform beschrieben. Zwei Fallstudien untersuchen Machbarkeit und Nützlichkeit der Konzepte. Die erste verwendet verschiedene Varianten und Rekonfigurationen eines minimalistischen verteilten Steuerungssystems, um Modell und Prototyp zu vergleichen sowie Laufzeitstatistiken zu erheben. Die zweite Fallstudie ist ein Smart-Factory-Demonstrator, welcher herausforderndere Applikationskomponenten und Schnittstellentechnologien verwendet. Die Konzepte sind den Studien nach machbar und nützlich, auch wenn sowohl die Konzepte als auch der Prototyp noch weitere Arbeit benötigen -- zum Beispiel, um kürzere Zyklen zu erreichen