An orchestrator for networked control systems and its application to collision avoidance in multiple mobile robots.

Networked Control System (NCS) consists of controlled distributed nodes while an Orchestrator functions as a central coordinator for controlling the distributed tasks. The NCSs have challenges of coordination and right execution sequencing of operations. This paper proposes a framework named Controlled Orchestrator (COrch) for coordinating and sequencing the tasks of NCSs. An experiment was performed with three robotic vehicles that are considered as individual control system. Furthermore, the proposed orchestrator COrch decided the sequencing of operations of the robots while performing obstacle avoidance task for spatially distributed robots in parallel. COrch is used to control this task by utilizing the concept of Remote Method Invocation (RMI) and multithreading. RMI is used to prepare the software for controlling the robots at remote end while multithreading is used to perform parallel and synchronize execution of multiple robots. The remote end software generates signals for sequential, parallel and hybrid mode execution

Modular software architecture for flexible reservation mechanisms on heterogeneous resources

Management, allocation and scheduling of heterogeneous resources for complex distributed real-time applications is a chal- lenging problem. Timing constraints of applications may be fulfilled by a proper use of real-time scheduling policies, admission control and enforcement of timing constraints. However, it is not easy to design basic infrastructure services that allow for an easy access to the allocation of multiple heterogeneous resources in a distributed environment. In this paper, we present a middleware for providing distributed soft real-time applications with a uniform API for reserving heterogeneous resources with real-time scheduling capabilities in a distributed environment. The architecture relies on standard POSIX OS facilities, such as time management and standard TCP/IP networking services, and it is designed around CORBA, in order to facilitate modularity, flexibility and portability of the applications using it. However, real-time scheduling is supported by proper extensions at the kernel-level, plugged within the framework by means of dedicated resource managers. Our current implementation on Linux supports reservation of CPU, disk and network bandwidth. However, additional resource managers supporting alternative real-time schedulers for these resources, as well as additional types of resources, may be easily added. We present experimental results gathered on both synthetic applications and a real multimedia video streaming case study, showing advantages deriving from the use of the proposed middleware. Finally, overhead figures are reported, showing sustainability of the approach for a wide class of complex, distributed, soft real-time applications

Plataforma de gestión para aplicaciones IIoT con requisitos de calidad de servicio

El contenido de los capítulos 3, 4, 5 y 6 está sujeto a confidencialidad. 82 p.La Internet Industrial de las Cosas (IIoT) plantea una serie de retos tecnológicos que suponen la motivación de esta tesis. Por una parte es necesario gestionar aplicaciones geográficamente distribuidas y muy heterogéneas en cuanto a plataformas hardware, redes y protocolos de comunicación. Por otra parte, la naturaleza de las aplicaciones es intrínsecamente dinámica, y por tanto requiere de soporte para la reconfiguración dinámica y autónoma de los sistemas. Finalmente, existen una serie de requisitos no funcionales que son claves desde un enfoque industrial y que contemplan aspectos tales como la calidad de servicio, la tolerancia a fallos o la seguridad funcional.En este contexto, desde la perspectiva de la ingeniería del software y con el objetivo de facilitar el desarrollo y soporte de aplicaciones IIoT, se ha concebido una plataforma de gestión de aplicaciones distribuidas basadas en componentes, que soporta la reconfiguración dinámica y autónoma de las mismas en base a criterios de optimización de los recursos y de calidad de servicio. La plataforma soporta una serie de paradigmas de comunicación y modelos de ejecución que abarcan una amplia tipología de aplicaciones. Para su validación, se ha diseñado y desarrollado un demostrador en el campo de los almacenes automatizados

Plataforma de gestión para aplicaciones IIoT con requisitos de calidad de servicio

El contenido de los capítulos 3, 4, 5 y 6 está sujeto a confidencialidad. 82 p.La Internet Industrial de las Cosas (IIoT) plantea una serie de retos tecnológicos que suponen la motivación de esta tesis. Por una parte es necesario gestionar aplicaciones geográficamente distribuidas y muy heterogéneas en cuanto a plataformas hardware, redes y protocolos de comunicación. Por otra parte, la naturaleza de las aplicaciones es intrínsecamente dinámica, y por tanto requiere de soporte para la reconfiguración dinámica y autónoma de los sistemas. Finalmente, existen una serie de requisitos no funcionales que son claves desde un enfoque industrial y que contemplan aspectos tales como la calidad de servicio, la tolerancia a fallos o la seguridad funcional.En este contexto, desde la perspectiva de la ingeniería del software y con el objetivo de facilitar el desarrollo y soporte de aplicaciones IIoT, se ha concebido una plataforma de gestión de aplicaciones distribuidas basadas en componentes, que soporta la reconfiguración dinámica y autónoma de las mismas en base a criterios de optimización de los recursos y de calidad de servicio. La plataforma soporta una serie de paradigmas de comunicación y modelos de ejecución que abarcan una amplia tipología de aplicaciones. Para su validación, se ha diseñado y desarrollado un demostrador en el campo de los almacenes automatizados

A Component-Based Approach for Securing Indoor Home Care Applications

eHealth systems have adopted recent advances on sensing technologies together with advances in information and communication technologies (ICT) in order to provide people-centered services that improve the quality of life of an increasingly elderly population. As these eHealth services are founded on the acquisition and processing of sensitive data (e.g., personal details, diagnosis, treatments and medical history), any security threat would damage the public's confidence in them. This paper proposes a solution for the design and runtime management of indoor eHealth applications with security requirements. The proposal allows applications definition customized to patient particularities, including the early detection of health deterioration and suitable reaction (events) as well as security needs. At runtime, security support is twofold. A secured component-based platform supervises applications execution and provides events management, whilst the security of the communications among application components is also guaranteed. Additionally, the proposed event management scheme adopts the fog computing paradigm to enable local event related data storage and processing, thus saving communication bandwidth when communicating with the cloud. As a proof of concept, this proposal has been validated through the monitoring of the health status in diabetic patients at a nursing home.This work was financed under project DPI2015-68602-R (MINECO/FEDER, UE), UPV/EHU under project PPG17/56 and GV/EJ under recognized research group IT914-16

Proceedings Work-In-Progress Session of the 13th Real-Time and Embedded Technology and Applications Symposium

The Work-In-Progress session of the 13th IEEE Real-Time and Embedded Technology and Applications Symposium (RTAS\u2707) presents papers describing contributions both to state of the art and state of the practice in the broad field of real-time and embedded systems. The 17 accepted papers were selected from 19 submissions. This proceedings is also available as Washington University in St. Louis Technical Report WUCSE-2007-17, at http://www.cse.seas.wustl.edu/Research/FileDownload.asp?733. Special thanks go to the General Chairs – Steve Goddard and Steve Liu and Program Chairs - Scott Brandt and Frank Mueller for their support and guidance

Real-time communications over switched Ethernet supporting dynamic QoS management

Doutoramento em Engenharia InformáticaDurante a última década temos assistido a um crescente aumento na utilização de sistemas embutidos para suporte ao controlo de processos, de sistemas robóticos, de sistemas de transportes e veículos e até de sistemas domóticos e eletrodomésticos. Muitas destas aplicações são críticas em termos de segurança de pessoas e bens e requerem um alto nível de determinismo com respeito aos instantes de execução das respectivas tarefas. Além disso, a implantação destes sistemas pode estar sujeita a limitações estruturais, exigindo ou beneficiando de uma configuração distribuída, com vários subsistemas computacionais espacialmente separados. Estes subsistemas, apesar de espacialmente separados, são cooperativos e dependem de uma infraestrutura de comunicação para atingir os objectivos da aplicação e, por consequência, também as transacções efectuadas nesta infraestrutura estão sujeitas às restrições temporais definidas pela aplicação. As aplicações que executam nestes sistemas distribuídos, chamados networked embedded systems (NES), podem ser altamente complexas e heterogéneas, envolvendo diferentes tipos de interacções com diferentes requisitos e propriedades. Um exemplo desta heterogeneidade é o modelo de activação da comunicação entre os subsistemas que pode ser desencadeada periodicamente de acordo com uma base de tempo global (time-triggered), como sejam os fluxos de sistemas de controlo distribuído, ou ainda ser desencadeada como consequência de eventos assíncronos da aplicação (event-triggered). Independentemente das características do tráfego ou do seu modelo de activação, é de extrema importância que a plataforma de comunicações disponibilize as garantias de cumprimento dos requisitos da aplicação ao mesmo tempo que proporciona uma integração simples dos vários tipos de tráfego. Uma outra propriedade que está a emergir e a ganhar importância no seio dos NES é a flexibilidade. Esta propiedade é realçada pela necessidade de reduzir os custos de instalação, manutenção e operação dos sistemas. Neste sentido, o sistema é dotado da capacidade para adaptar o serviço fornecido à aplicação aos respectivos requisitos instantâneos, acompanhando a evolução do sistema e proporcionando uma melhor e mais racional utilização dos recursos disponíveis. No entanto, maior flexibilidade operacional é igualmente sinónimo de maior complexidade derivada da necessidade de efectuar a alocação dinâmica dos recursos, acabando também por consumir recursos adicionais no sistema. A possibilidade de modificar dinâmicamente as caracteristicas do sistema também acarreta uma maior complexidade na fase de desenho e especificação. O aumento do número de graus de liberdade suportados faz aumentar o espaço de estados do sistema, dificultando a uma pre-análise. No sentido de conter o aumento de complexidade são necessários modelos que representem a dinâmica do sistema e proporcionem uma gestão optimizada e justa dos recursos com base em parâmetros de qualidade de serviço (QdS). É nossa tese que as propriedades de flexibilidade, pontualidade e gestão dinâmica de QdS podem ser integradas numa rede switched Ethernet (SE), tirando partido do baixo custo, alta largura de banda e fácil implantação. Nesta dissertação é proposto um protocolo, Flexible Time-Triggered communication over Switched Ethernet (FTT-SE), que suporta as propriedades desejadas e que ultrapassa as limitações das redes SE para aplicações de tempo-real tais como a utilização de filas FIFO, a existência de poucos níveis de prioridade e a pouca capacidade de gestão individualizada dos fluxos. O protocolo baseia-se no paradigma FTT, que genericamente define a arquitectura de uma pilha protocolar sobre o acesso ao meio de uma rede partilhada, impondo desta forma determinismo temporal, juntamente com a capacidade para reconfiguração e adaptação dinâmica da rede. São ainda apresentados vários modelos de distribuição da largura de banda da rede de acordo com o nível de QdS especificado por cada serviço utilizador da rede. Esta dissertação expõe a motivação para a criação do protocolo FTT-SE, apresenta uma descrição do mesmo, bem como a análise de algumas das suas propiedades mais relevantes. São ainda apresentados e comparados modelos de distribuição da QdS. Finalmente, são apresentados dois casos de aplicações que sustentam a validade da tese acima mencionada.During the last decade we have witnessed a massive deployment of embedded systems on a wide applications range, from industrial automation to process control, avionics, cars or even robotics. Many of these applications have an inherently high level of criticality, having to perform tasks within tight temporal constraints. Additionally, the configuration of such systems is often distributed, with several computing nodes that rely on a communication infrastructure to cooperate and achieve the application global goals. Therefore, the communications are also subject to the same temporal constraints set by the application requirements. Many applications relying on such networked embedded systems (NES) are complex and heterogeneous, comprehending different activities with different requirements and properties. For example, the communication between subsystems may follow a strict temporal synchronization with respect to a global time-base (time-triggered), like in a distributed feedback control loop, or it may be issued asynchronously upon the occurrence of events (eventtriggered). Regardless of the traffic characteristics and its activation model, it is of paramount importance having a communication framework that provides seamless integration of heterogeneous traffic sources while guaranteeing the application requirements. Another property that has been emerging as important for NES design and operation is flexibility. The need to reduce installation and operational costs, while facilitating maintenance is promoting a more rational use of the available resources at run-time, exploring the ability to tune service parameters as the system evolves. However, such operational flexibility comes with the cost of increasing the complexity of the system to handle the dynamic resource management, which on the other hand demands the allocation of additional system resources. Moreover, the capacity to dynamically modify the system properties also causes a higher complexity when designing and specifying the system, since the operational state-space increases with the degrees of flexibility of the system. Therefore, in order to bound this complexity appropriate operational models are needed to handle the system dynamics and carry on an efficient and fair resource management strategy based on quality of service (QoS) metrics. This thesis states that the properties of flexibility and timeliness as needed for dynamic QoS management can be provided to switched Ethernet based systems. Switched Ethernet, although initially designed for general purpose Internet access and file transfers, is becoming widely used in NES-based applications. However, COTS switched Ethernet is insufficient regarding the needs for real-time predictability and for supporting the aforementioned properties due the use of FIFO queues too few priority levels and for stream-level management capabilities. In this dissertation we propose a protocol to overcome those limitations, namely the Flexible Time-Triggered communication over Switched Ethernet (FTT-SE). The protocol is based on the FTT paradigm that generically defines a protocol architecture suitable to enforce real-time determinism on a communication network supporting the desired flexibility properties. This dissertation addresses the motivation for FTT-SE, describing the protocol as well as its schedulability analysis. It additionally covers the resource distribution topic, where several distribution models are proposed to manage the resource capacity among the competing services and while considering the QoS level requirements of each service. A couple of application cases are shown that support the aforementioned thesis

Arquitectura para coordenação em tempo-real de múltiplas unidades móveis autónomas

Doutoramento em Engenharia ElectrotécnicaInterest on using teams of mobile robots has been growing, due to their potential to cooperate for diverse purposes, such as rescue, de-mining, surveillance or even games such as robotic soccer. These applications require a real-time middleware and wireless communication protocol that can support an efficient and timely fusion of the perception data from different robots as well as the development of coordinated behaviours. Coordinating several autonomous robots towards achieving a common goal is currently a topic of high interest, which can be found in many application domains. Despite these different application domains, the technical problem of building an infrastructure to support the integration of the distributed perception and subsequent coordinated action is similar. This problem becomes tougher with stronger system dynamics, e.g., when the robots move faster or interact with fast objects, leading to tighter real-time constraints. This thesis work addressed computing architectures and wireless communication protocols to support efficient information sharing and coordination strategies taking into account the real-time nature of robot activities. The thesis makes two main claims. Firstly, we claim that despite the use of a wireless communication protocol that includes arbitration mechanisms, the self-organization of the team communications in a dynamic round that also accounts for variable team membership, effectively reduces collisions within the team, independently of its current composition, significantly improving the quality of the communications. We will validate this claim in terms of packet losses and communication latency. We show how such self-organization of the communications can be achieved in an efficient way with the Reconfigurable and Adaptive TDMA protocol. Secondly, we claim that the development of distributed perception, cooperation and coordinated action for teams of mobile robots can be simplified by using a shared memory middleware that replicates in each cooperating robot all necessary remote data, the Real-Time Database (RTDB) middleware. These remote data copies, which are updated in the background by the selforganizing communications protocol, are extended with age information automatically computed by the middleware and are locally accessible through fast primitives. We validate our claim showing a parsimonious use of the communication medium, improved timing information with respect to the shared data and the simplicity of use and effectiveness of the proposed middleware shown in several use cases, reinforced with a reasonable impact in the Middle Size League of RoboCup.O interesse na utilização de equipas multi-robô tem vindo a crescer, devido ao seu potencial para cooperarem na resolução de vários problemas, tais como salvamento, desminagem, vigilância e até futebol robótico. Estas aplicações requerem uma infraestrutura de comunicação sem fios, em tempo real, suportando a fusão eficiente e atempada dos dados sensoriais de diferentes robôs bem como o desenvolvimento de comportamentos coordenados. A coordenação de vários robôs autónomos com vista a um dado objectivo é actualmente um tópico que suscita grande interesse, e que pode ser encontrado em muitos domínios de aplicação. Apesar das diferenças entre domínios de aplicação, o problema técnico de construir uma infraestrutura para suportar a integração da percepção distribuída e das acções coordenadas é similar. O problema torna-se mais difícil à medida que o dinamismo dos robôs se acentua, por exemplo, no caso de se moverem mais rápido, ou de interagirem com objectos que se movimentam rapidamente, dando origem a restrições de tempo-real mais apertadas. Este trabalho centrou-se no desenvolvimento de arquitecturas computacionais e protocolos de comunicação sem fios para suporte à partilha de informação e à realização de acções coordenadas, levando em consideração as restrições de tempo-real. A tese apresenta duas afirmações principais. Em primeiro lugar, apesar do uso de um protocolo de comunicação sem fios que inclui mecanismos de arbitragem, a auto-organização das comunicações reduz as colisões na equipa, independentemente da sua composição em cada momento. Esta afirmação é validada em termos de perda de pacotes e latência da comunicação. Mostra-se também como a auto-organização das comunicações pode ser atingida através da utilização de um protocolo TDMA reconfigurável e adaptável sem sincronização de relógio. A segunda afirmação propõe a utilização de um sistema de memória partilhada, com replicação nos diferentes robôs, para suportar o desenvolvimento de mecanismos de percepção distribuída, fusão sensorial, cooperação e coordenação numa equipa de robôs. O sistema concreto que foi desenvolvido é designado como Base de Dados de Tempo Real (RTDB). Os dados remotos, que são actualizados de forma transparente pelo sistema de comunicações auto-organizado, são estendidos com a respectiva idade e são disponibilizados localmente a cada robô através de primitivas de acesso eficientes. A RTDB facilita a utilização parcimoniosa da rede e bem como a manutenção de informação temporal rigorosa. A simplicidade da integração da RTDB para diferentes aplicações permitiu a sua efectiva utilização em diferentes projectos, nomeadamente no âmbito do RoboCup

Implementation of Middleware for Internet of Things in Asset Tracking Applications: In-lining Approach

ThesisInternet of Things (IoT) is a concept that involves giving objects a digital identity and limited artificial intelligence, which helps the objects to be interactive, process data, make decisions, communicate and react to events virtually with minimum human intervention. IoT is intensified by advancements in hardware and software engineering and promises to close the gap that exists between the physical and digital worlds. IoT is paving ways to address complex phenomena, through designing and implementation of intelligent systems that can monitor phenomena, perform real-time data interpretation, react to events, and swiftly communicate observations. The primary goal of IoT is ubiquitous computing using wireless sensors and communication protocols such as Bluetooth, Wireless Fidelity (Wi-Fi), ZigBee and General Packet Radio Service (GPRS). Insecurity, of assets and lives, is a problem around the world. One application area of IoT is tracking and monitoring; it could therefore be used to solve asset insecurity. A preliminary investigation revealed that security systems in place at Central University of Technology, Free State (CUT) are disjointed; they do not instantaneously and intelligently conscientize security personnel about security breaches using real time messages. As a result, many assets have been stolen, particularly laptops. The main objective of this research was to prove that a real-life application built over a generic IoT architecture that innovatively and intelligently integrates: (1) wireless sensors; (2) radio frequency identification (RFID) tags and readers; (3) fingerprint readers; and (4) mobile phones, can be used to dispel laptop theft. To achieve this, the researcher developed a system, using the heterogeneous devices mentioned above and a middleware that harnessed their unique capabilities to bring out the full potential of IoT in intelligently curbing laptop theft. The resulting system has the ability to: (1) monitor the presence of a laptop using RFID reader that pro-actively interrogates a passive tag attached to the laptop; (2) detect unauthorized removal of a laptop under monitoring; (3) instantly communicate security violations via cell phones; and (4) use Windows location sensors to track the position of a laptop using Googlemaps. The system also manages administrative tasks such as laptop registration, assignment and withdrawal which used to be handled manually. Experiments conducted using the resulting system prototype proved the hypothesis outlined for this research