29 research outputs found
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