Development of a Sensor Node for Precision Horticulture

This paper presents the design of a new wireless sensor node (GAIA Soil-Mote) for precision horticulture applications which permits the use of precision agricultural instruments based on the SDI-12 standard. Wireless communication is achieved with a transceiver compliant with the IEEE 802.15.4 standard. The GAIA Soil-Mote software implementation is based on TinyOS. A two-phase methodology was devised to validate the design of this sensor node. The first phase consisted of laboratory validation of the proposed hardware and software solution, including a study on power consumption and autonomy. The second phase consisted of implementing a monitoring application in a real broccoli (Brassica oleracea L. var Marathon) crop in Campo de Cartagena in south-east Spain. In this way the sensor node was validated in real operating conditions. This type of application was chosen because there is a large potential market for it in the farming sector, especially for the development of precision agriculture applications

Smart Waste Collection Processes - A Case Study about Smart Device Implementation

For decades the core processes of collecting waste have been unchanged. Through new IoT-technologies, advances in sensors, and data transfer technologies, data-driven smart waste collection processes will replace old inefficient collection processes. Causing a shift from fix collection intervals to collection on demand, supported by smart algorithms and innovative web-applications. However, implementing such ideas come along with some almost insurmountable challenges related to wireless data transfer, battery lifetime and IoT infrastructure. Therefore, the question arises of how to implement IoT solutions in such complex and challenging environments. In order to contribute to the existing research about smart cities and autonomous IoT devices, we implemented smart devices in glass containers, measuring filling level over several months. The research study’s outcomes are test results, data analysis and a prototype implementation for a reengineered waste collection process. Furthermore, we identified main challenges and key issues which obstruct the implementation and spread of such smart city applications

DAI-CLIPS: Distributed, Asynchronous, Interacting CLIPS

DAI-CLIPS is a distributed computational environment within which each CLIPS is an active independent computational entity with the ability to communicate freely with other CLIPS. Furthermore, new CLIPS can be created, others can be deleted or modify their expertise, all dynamically in an asynchronous and independent fashion during execution. The participating CLIPS are distributed over a network of heterogeneous processors taking full advantage of the available processing power. We present the general framework encompassing DAI-CLIPS and discuss some of its advantages and potential applications

Small UAV-Acquired, High-resolution, Georeferenced Still Imagery

Currently, small Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) are primarily used for capturing and down-linking real-time video. To date, their role as a low-cost airborne platform for capturing high-resolution, georeferenced still imagery has not been fully utilized. On-going work within the Unmanned Vehicle Systems Program at the Idaho National Laboratory (INL) is attempting to exploit this small UAV-acquired, still imagery potential. Initially, a UAV-based still imagery work flow model was developed that includes initial UAV mission planning, sensor selection, UAV/sensor integration, and imagery collection, processing, and analysis. Components to support each stage of the work flow are also being developed. Critical to use of acquired still imagery is the ability to detect changes between images of the same area over time. To enhance the analysts’ change detection ability, a UAV-specific, GIS-based change detection system called SADI or System for Analyzing Differences in Imagery is under development. This paper will discuss the associated challenges and approaches to collecting still imagery with small UAVs. Additionally, specific components of the developed work flow system will be described and graphically illustrated using varied examples of small UAV-acquired still imagery

MMixte: a software architecture for Live Electronics with acoustic instruments : exemplary application cases

MMixte is a middleware based on Max for mixed music with live electronics. It enables programming for a “patcher concerto”, a platform, that is, for the management of live electronics in just a few minutes and with extreme simplicity. Dedicated to average and expert users, MMixte enables true programming of live electronics in very little time while also enabling easy adapting of previously developed modules, depending on the case and its needs. The architecture behind MMixte is based on a variation of so-called “pipeline architecture"; the analysis of the most widely used software architectures in the market and design patterns to program graphic interfaces has led to the conception of ways of organizing communication between various modules, the way they are being used and their graphic appearence. Analysis of other, “state of the art” module collections and other software programs dedicated to mixed music shows the absence of another work on software architecture for mixed music. Application of MMixte to some of my personal works shows demonstrates its flexibility and ease of adaptation. Computer programming for a piece of mixed music requires much that goes beyond just programming of audio signal processing. The present work seeks to provide an example of a solution to such needs

Засоби паралельної обробки даних на ПЛІС для моніторингу об’єктів критичного застосування

Актуальність теми. На сьогодні є велика кількість галузей виробництва, де необхідно забезпечувати високий рівень надійності та безпеки використання об’єктів критичного застосування. Це такі сфери підприємства як: 1. енергетична галузь, а саме атомні електростанції (АЕС), теплові електростанції (ТЕС), гідро електростанції (ГЕС); 2. підприємства із небезпечним виробництвом, які мають велику ймовірність техногенних катастроф; 3. космічна галузь; 4. транспортна галузь. Безпека та надійність використання таких об’єктів критичного застосування залежить від рівня автоматизованості певної промисловості. Рівень автоматизованості залежить від таких показників, як безвідмовність роботи обчислювальних систем, довершеність архітектурних та програмних рішень, відмовостійкість програмно-апаратних частин, час ремонту тощо. При виробництві цифрових інтегральних схем (ЦІС) використовуються різні електронні компоненти. Це такі компоненти як базові матричні кристали, вузькоспеціалізовані великі інтегральні схеми (ВІС), які випускаються обмеженими серіями, програмовні логічні контролери тощо. Досить ефективною альтернативою такого компонента є програмовна логічна інтегральна схема (ПЛІС). ПЛІС – це спеціальний електронний компонент, який використовується при створенні ЦІС. ПЛІС відрізняється від інших ЦІС тим, що логіка роботи ПЛІС не задається при її виготовлені. Для задання певної логіки роботи ПЛІС використовують спеціальні програматори та налагоджувальні середовища, що дозволяє задати потрібну структуру цифрового пристрою, а саме у вигляді принципової схеми або програмного коду створеного завдяки спеціальним системам автоматизованого проектування (САПР). Сучасні ПЛІС мають такі характеристики, як властивість багаторазової переконфігурації, низька вартість виготовлення, низька енергія споживання, висока швидкодія. Об’єктом дослідження є способи реалізації паралельної обробки даних на основі ПЛІС для моніторингу об’єктів критичного застосування. Предметом дослідження є структура спеціалізованого пристрою паралельної обробки даних на основі ПЛІС для моніторингу об’єктів критичного застосування. Мета роботи – визначення способу організації та реалізації паралельної обробки даних на основі ПЛІС для ефективного моніторингу об’єктів критичного застосування. Методи дослідження. В роботі використовуються методи математичного опису алгоритму, методи аналізу та порівняння роботи алгоритмів, комп’ютерної схемотехніки, теорії організації обчислювальних процесів для створення спеціалізованих комп’ютерних систем на ПЛІС. Наукова новизна: 1. Розроблено математичний опис алгоритму обробки даних для моніторингу об’єктів критичного застосування, яка відрізняється від існуючих паралельністю виконання обробки даних. 2. Запропоновано програмно-апаратну реалізацію спеціального пристрою на ПЛІС для паралельної обробки даних при моніторингу об’єктів критичного застосування. Практична цінність отриманих в роботі результатів полягає в тому, що була запропонована програмно-апаратна реалізація алгоритму паралельної обробки даних на основі ПЛІС для моніторингу об’єктів критичного застосування. Основними перевагами є створення унікального пристрою невеликих розмірів із більшою продуктивністю і надійністю. Висока продуктивність обчислювального засобу, що реалізує алгоритм паралельної обробки даних на основі ПЛІС для моніторингу об’єктів критичного застосування, обумовлена можливістю швидкої модифікації роботи алгоритму шляхом перепрограмування ПЛІС за допомогою спеціальних систем автоматизованого проектування (САПР). До недоліків реалізації такого обчислювального пристрою на основі ПЛІС можна віднести обмеженість кількості логічних елементів. Апробація роботи. Результати роботи пройшли апробацію або знаходяться на стадії публікації на конференціях: 1. XI Конференція молодих вчених «Прикладна математика та комп’ютеринг» ПМК-2018-2; 2. IV Міжнародна науково-технічна Internet-конференція «Сучасні методи, інформаційне, програмне та технічне забезпечення систем керування організаційно-технічними та технологічними комплексами; Результати роботи опубліковані в 3 наукових працях, з яких 3 – тези доповідей. Структура та обсяг роботи. Магістерська дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків та додатків. У вступі надано загальну характеристику роботи, виконано оцінку сучасного стану проблеми, обґрунтовано актуальність напрямку досліджень, сформульовано мету і задачу досліджень, показано наукову новизну отриманих результатів і практичну цінність роботи, наведено відомості про апробацію результатів та їх впровадження. У першому розділі розглянуті загальні відомості про ПЛІС; розглянуті альтернативні електронні компоненти, такі як мікроконтролери, мікропроцесори, однокристальні комп’ютери; розглянуто та проаналізовано основі характеристики об’єктів критичного застосування. У другому розділі розглянуті загальні відомості про ПЛІС, а саме їх класифікації та характеристика; розглянуто основні сімейства ПЛІС, а саме ПЛІС від провідних компаній Altera та Xilinx; розглянуто класифікацію та характеристики основних сімейств ПЛІС фірми Xilinx. Визначені структурні особливості кожного із сімейств. У третьому розділі розглянуто, проаналізовано та обґрунтовано способи та види організації обробки даних на ПЛІС; розглянуто основні засоби проектування фірми XILINX; сформульовані вимоги до САПР для проектування пристрою паралельної обробки даних на ПЛІС. У четвертому розділі описані етапи проектування пристрою паралельної обробки даних на основі ПЛІС для моніторингу об’єктів критичного застосування; запропоновано алгоритм паралельної обробки даних; запропоновано програмно-апаратну реалізацію алгоритму паралельної обробки даних на основі ПЛІС для моніторингу об’єктів критичного застосування. У висновках проаналізовано отримані результати роботи. Визначено умови для яких розроблена реалізація є ефективною. Також запропоновано шляхи покращення розробленого метода та рекомендації щодо подальшого дослідження поставленої задачі. У додатках лістинг програмного коду VHDL реалізації алгоритму паралельної обробки даних на ПЛІС, лістинг програмного коду тестового об’єкту критичного застосування, текст публікацій, текст презентації. Робота виконана на 78 аркушах, містить 4 додатки та посилання на список використаних літературних джерел з 26 найменувань. У роботі наведено 33 рисунки та 3 таблиці.Relevance of the topic. Nowadays, there are a large number of branches of manufacture, where it is necessary to ensure a high level of reliability and safety using of critical objects. These are the spheres of the enterprise like: 1) the energy industry, namely nuclear power stations (NPP), thermal power stations (TPP), hydroelectric power stations (HPP); 2) enterprises with hazardous production, which have a high probability of man-made disasters; 3) space industry; 4) transport industry. The safety and reliability of using such objects of critical application depends on the level of automation of a particular industry. The level of automation depends on such indicators as: trouble-free operation of computing systems, the perfection of the architecture and software solutions, the fault tolerance of software and hardware parts, repair time, and the like. In the manufacture of digital integrated circuits (CIS), various electronic components are used. It is such component as: basic matrix crystals, highly specialized large integrated circuits (MIS), which are available in limited series, programmable logic controllers and others. A quite effective alternative to such a component is a programmable logic integrated circuit (PLIC). The PLIC is a special electronic component that is used when creating a CISS. PLIC is different from other CISS in that the logic of PLIC operation is not specified during its manufacture. To set a certain logic of PLIC operation, use such components as: programmers and debugging environments, which allows you to specify the desired structure of a digital device, namely in the form of a circuit diagram or software code created for special automated computer design systems (CAD). Modern PLICs have such characteristics as: quality of multiple reconfiguration, low manufacturing cost, low energy consumption, high speed. 15 The object of research is the methods of implementing parallel data processing on the basis of PLIC for monitoring objects of critical use. The subject of the research is the structure of a specialized software device of parallel data processing based on PLIC for monitoring critical objects. The purpose of the work is to determine the method of organizing and implementing parallel data processing based on FPGA for effective monitoring of critical applications. Research methods. The work uses the methods of mathematical description of the algorithm, methods of analysis and comparison the work of algorithms, computer self-engineering, the theory of organization of computational processes for creating specialized computer systems on FPGA. Scientific novelty: 1. Developed a mathematical description of the data processing algorithm for monitoring objects of critical application, which is different from the existing parallel execution of data processing. 2. Proposed a software - hardware implementation of a special device on the PLIC for parallel data processing when monitoring objects of critical application. The practical value of the results obtained in the work lies in the fact that the software and hardware implementation in proposed of the PLIC - based parallel data processing algorithm for monitoring objects of critical application. The main advantages are the creation a unique device of small size with greater performance and reliability.The high productivity of a computational tool, which implements an PLIC -based parallel data processing algorithm for monitoring objects of critical application, is due to the possibility of quickly modifying the operation of the algorithm by reprogramming the PLIC using special computer aided design (CAD) systems. The disadvantages of the implementation of such a computing device based on PLIC can be attributed to the limited number of logical elements. Approbation of work. The results of the work have been tested or are being published at conferences: 1. XI Conference of Young Scientists "Applied Mathematics and Computerizing" PMK-2018-2; 2. IV International Scientific and Technical Internet - Conference “Modern Methods, Information, Software -Technical Support of Management Systems of Organizational, Technical and Technological Complexes». Publications. The results of the work are published in 3 scientific papers, of which 3 are theses of the reports. Structure and scope of work. The master dissertation include: introduction, four chapters, conclusion and applications. In the introduction, given a general description of the work, completed a current state of the problem, justified the relevance of the research direction , formulated the purpose and objective of the research, shown the scientific novelty of the results obtained and the practical value of the work, given the information about testing of the results and their implementation. The first section reviewed some general information about PLIC; reviewed alternative electronic components, such as microcontrollers, microprocessors, single – chip computers, also reviewed and analyzed based characteristics of objects of critical use. In the second section, reviewed general information about PLIC, namely their classification and characteristics, reviewed the main families of PLIC, namely PLIC from leading companies Altera and Xilinx, reviewed classification and characteristics of the main families of PLICs by Xilinx. Determined the structural features each of the families. In the third section,reviewed, analyzed and reasonably the methods and types of organization of data processing on the PLIC; considered the basic design tools of the company XILINX; formulated requirements for CAD for designing a device for parallel processing of data on PLIC. The fourth section describes the steps of designing a based PLIC parallel data processing device for monitoring critical objects; proposed parallel data processing algorithm; proposed software and hardware implementation of based PLIC parallel data processing algorithm for monitoring critical objects. The conclusion analyzed the results of the work. Determined the conditions for which the implementation is developed. Also proposed ways to improve the developed method and recommendations for further study of the task. The appendices provide a block diagram of the architecture of the PLIC family, an internal CLB interconnection diagram, the architecture of the Xilinx Spartan-6 structural module, as well as a listing of programs and copies of publications. The work was done on 78 pages, contains 4 appendices and references to the list of references used from 26 titles. The work contains 33 figures and 3 tables.Актуальность темы. На сегодняшний день есть большое количество отраслей производства, где необходимо обеспечивать высокий уровень надежности и безопасности использования объектов критического применения. Это такие сферы предприятия как: 1. энергетическая отрасль, а именно атомные электростанции(АЭС), тепловые электростанции(ТЭС), гидроэлектростанции(ГЭС); 2. предприятия с опасным проиводством, которые имеют большую вероятность техногенных катастроф; 3. космическая отрасль; 4. транспортная отрасль. Безопасность и надежность использования таких объектов критического применения зависит от уровня автоматизированности определенной промышленности. Уровень автоматизации зависит от таких показателей, как: безотказность работы вычислительных систем, совершенство архитектуры и программных решений, отказоустойчивость программно – аппаратных частей, время ремонта и тому подобное. При производстве цифровых интегральных схем (ЦИС) используются различные электронные компоненты. Это такие компоненты, как: базовые матричные кристалы, узкоспециализированные большие интегральные схемы (УИС), которые выпускаются ограниченными сериями, программируемые логические контроллеры и другие. Достаточно эффективной альтернативой такого компонента является программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС). ПЛИС – это специальный электронный компонент, который используется при создании ЦИС. ПЛИС отличается от других ЦИС тем, что логика работы ПЛИС не задаётся при её изготовлении. Для задания определённой логики работы ПЛИС используют специальные программаторы и отладочные среды, что позволяет задать нужную структуру цифрового устройства, а именно в виде принципиальной схемы или программного кода, созданного блягодаря специальным системам автоматизированного проектировани (САПР). Соременные ПЛИС имеют такие характеристики, как: качество многократной переконфигурации, низкая стоимость изготовления, низкая энергия потребления , высокое быстродействие. Объектом исследования явлются способы реализации паралельной обработки данных на основе ПЛИС для мониторинга объектов критического использования. Предметом исследования является структура специализированного устройства параллельной обработки данных на основе ПЛИС для мониторинга объектов критического прменения. Цель работы – определение способа организации и реализации параллелльной обработки данных на основе ПЛИС для эффективного мониторинга критического применения. Методы исследования. В работе используются методы математического описания алгоритма, методы анализа и сравнения работы алгоритмов, компьютерной схемотехники, теории организации вычислительных процессов для создания специализированных компьютерных систем на ПЛИС. Научная новизна: 1. Разработано математическое описание алгоритма обработки данных для мониторинга объектов критичского применения, который отличается от существующих параллельностью выполнения обработки данных. 2. Предложено программно – аппаратную реализацию специального устройства на ПЛИС для параллельной обработки данных при мониторинге объектов критического применения. Практическая ценность полученных в работе результатов заключается в том, что была предложена программно – аппаратная реализация алгоритма параллельной обработки данных на основе ПЛИС для мониторинга объектов критического применения. Основными преимуществами является создание уникального устройства небольших размеров с большей производительностью и надёжностью. Високая продуктивность вычислительного средства, что реализирует алгоритм параллельной обработки данных на основе ПЛИС для мониторинга объектов критического применения, обусловлена возмодностью быстрой модификации работы алгоритма путём перепрограммирования ПЛИС с помощью специальных систем автоматизированного проектирования (САПР). К недостаткам реализации такого вычислительного устройства на основе ПЛИС можна отнести ограниченность количества логических элементов. Апробация работы. Результаты работы прошли апробацию или находятся на стадии публикации на конференциях: 1. XI Конферениця молодых учённых «Прикладная математика и компьютеринг» ПМК-2018-2; 2. Международная научно–техническая Internet–конференция «Современные методы, информационное, программное и техническое обеспечение систем управления организационно–техническими и технологическими комплексами. Результаты работы опубликованы в 3 научных статьях, из которых 3 тезисы докладов. Структура и объем работы. Магистерская диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Во введении дано общая характеристика работы, выполнена оценка современного состояния проблемы, обоснована актуальность направления исследований, сформулированы цель и задачу исследований, показано научную новизну полученных результатов и практическую ценность работы, приведены сведения об апробации результатов и их внедрение. В первом разделе рассмотрены общие сведения о ПЛИС; рассмотрены альтернативные электронные компоненты, такие как микроконтроллеры, микропроцессоры, однокристальные компьютеры; рассмотрены и проанализированы основе характеристики объектов критического применения. Во втором разделе рассмотрены общие сведения про ПЛИС , а именно их классификация и характеристика, рассмотрены основные семейства ПЛИС, а именно ПЛИС от ведущих компаний Altera и Xilinx; рассмотрена классификация и характеристики основных семейств ПЛИС фирмы Xilinx. Определены структурные особенности каждого из семейств. В третьем разделе рассмотрены, проанализированы и обоснованно способы и виды организации обработки данных на ПЛИС; рассмотрены основные средства проектирования фирмы XILINX; сформулированы требования к САПР для проектирования устройства параллельной обработки данных на ПЛИС. В четвертом разделе описаны этапы проектирования устройства параллельной обработки данных на основе ПЛИС для мониторинга объектов критического применения; предложен алгоритм параллельной обработки данных; предложено программно-аппаратную реализацию алгоритма параллельной обработки данных на основе ПЛИС для мониторинга объектов критического применения. В выводах проанализированы полученные результаты работы. Определены условия, для которых разработана реализация является эффективной. Также предложены пути улучшения разработанного метода и рекомендации по дальнейшему исследованию поставленной задачи. В приложениях приведена структурная схема архитектуры семейства FPGA, внутренняя схема взаимосвязей CLB, архитектура структурного модуля Xilinx Spartan-6, а также листинг программ и копии публикаций. Работа выполнена на 78 листах, содержит 4 приложения и ссылки на список использованных литературных источников из 26 наименований. В работе приведены 33 рисунка и 3 таблицы

On data-driven systems analyzing, supporting and enhancing users’ interaction and experience

[EN]The research areas of Human-Computer Interaction and Software Architectures have been traditionally treated separately, but in the literature, many authors made efforts to merge them to build better software systems. One of the common gaps between software engineering and usability is the lack of strategies to apply usability principles in the initial design of software architectures. Including these principles since the early phases of software design would help to avoid later architectural changes to include user experience requirements. The combination of both fields (software architectures and Human-Computer Interaction) would contribute to building better interactive software that should include the best from both the systems and user-centered designs. In that combination, the software architectures should enclose the fundamental structure and ideas of the system to offer the desired quality based on sound design decisions. Moreover, the information kept within a system is an opportunity to extract knowledge about the system itself, its components, the software included, the users or the interaction occurring inside. The knowledge gained from the information generated in a software environment can be used to improve the system itself, its software, the users’ experience, and the results. So, the combination of the areas of Knowledge Discovery and Human-Computer Interaction offers ideal conditions to address Human-Computer-Interaction-related challenges. The Human-Computer Interaction focuses on human intelligence, the Knowledge Discovery in computational intelligence, and the combination of both can raise the support of human intelligence with machine intelligence to discover new insights in a world crowded of data. This Ph.D. Thesis deals with these kinds of challenges: how approaches like data-driven software architectures (using Knowledge Discovery techniques) can help to improve the users' interaction and experience within an interactive system. Specifically, it deals with how to improve the human-computer interaction processes of different kind of stakeholders to improve different aspects such as the user experience or the easiness to accomplish a specific task. Several research actions and experiments support this investigation. These research actions included performing a systematic literature review and mapping of the literature that was aimed at finding how the software architectures in the literature have been used to support, analyze or enhance the human-computer interaction. Also, the actions included work on four different research scenarios that presented common challenges in the Human- Computer Interaction knowledge area. The case studies that fit into the scenarios selected were chosen based on the Human-Computer Interaction challenges they present, and on the authors’ accessibility to them. The four case studies were: an educational laboratory virtual world, a Massive Open Online Course and the social networks where the students discuss and learn, a system that includes very large web forms, and an environment where programmers develop code in the context of quantum computing. The development of the experiences involved the review of more than 2700 papers (only in the literature review phase), the analysis of the interaction of 6000 users in four different contexts or the analysis of 500,000 quantum computing programs. As outcomes from the experiences, some solutions are presented regarding the minimal software artifacts to include in software architectures, the behavior they should exhibit, the features desired in the extended software architecture, some analytic workflows and approaches to use, or the different kinds of feedback needed to reinforce the users’ interaction and experience. The results achieved led to the conclusion that, despite this is not a standard practice in the literature, the software environments should embrace Knowledge Discovery and datadriven principles to analyze and respond appropriately to the users’ needs and improve or support the interaction. To adopt Knowledge Discovery and data-driven principles, the software environments need to extend their software architectures to cover also the challenges related to Human-Computer Interaction. Finally, to tackle the current challenges related to the users’ interaction and experience and aiming to automate the software response to users’ actions, desires, and behaviors, the interactive systems should also include intelligent behaviors through embracing the Artificial Intelligence procedures and techniques

On Data-driven systems analyzing, supporting and enhancing users’ interaction and experience

Tesis doctoral en inglés y resumen extendido en español[EN] The research areas of Human-Computer Interaction and Software Architectures have been traditionally treated separately, but in the literature, many authors made efforts to merge them to build better software systems. One of the common gaps between software engineering and usability is the lack of strategies to apply usability principles in the initial design of software architectures. Including these principles since the early phases of software design would help to avoid later architectural changes to include user experience requirements. The combination of both fields (software architectures and Human-Computer Interaction) would contribute to building better interactive software that should include the best from both the systems and user-centered designs. In that combination, the software architectures should enclose the fundamental structure and ideas of the system to offer the desired quality based on sound design decisions. Moreover, the information kept within a system is an opportunity to extract knowledge about the system itself, its components, the software included, the users or the interaction occurring inside. The knowledge gained from the information generated in a software environment can be used to improve the system itself, its software, the users’ experience, and the results. So, the combination of the areas of Knowledge Discovery and Human-Computer Interaction offers ideal conditions to address Human-Computer-Interaction-related challenges. The Human-Computer Interaction focuses on human intelligence, the Knowledge Discovery in computational intelligence, and the combination of both can raise the support of human intelligence with machine intelligence to discover new insights in a world crowded of data. This Ph.D. Thesis deals with these kinds of challenges: how approaches like data-driven software architectures (using Knowledge Discovery techniques) can help to improve the users' interaction and experience within an interactive system. Specifically, it deals with how to improve the human-computer interaction processes of different kind of stakeholders to improve different aspects such as the user experience or the easiness to accomplish a specific task. Several research actions and experiments support this investigation. These research actions included performing a systematic literature review and mapping of the literature that was aimed at finding how the software architectures in the literature have been used to support, analyze or enhance the human-computer interaction. Also, the actions included work on four different research scenarios that presented common challenges in the Human-Computer Interaction knowledge area. The case studies that fit into the scenarios selected were chosen based on the Human-Computer Interaction challenges they present, and on the authors’ accessibility to them. The four case studies were: an educational laboratory virtual world, a Massive Open Online Course and the social networks where the students discuss and learn, a system that includes very large web forms, and an environment where programmers develop code in the context of quantum computing. The development of the experiences involved the review of more than 2700 papers (only in the literature review phase), the analysis of the interaction of 6000 users in four different contexts or the analysis of 500,000 quantum computing programs. As outcomes from the experiences, some solutions are presented regarding the minimal software artifacts to include in software architectures, the behavior they should exhibit, the features desired in the extended software architecture, some analytic workflows and approaches to use, or the different kinds of feedback needed to reinforce the users’ interaction and experience. The results achieved led to the conclusion that, despite this is not a standard practice in the literature, the software environments should embrace Knowledge Discovery and data-driven principles to analyze and respond appropriately to the users’ needs and improve or support the interaction. To adopt Knowledge Discovery and data-driven principles, the software environments need to extend their software architectures to cover also the challenges related to Human-Computer Interaction. Finally, to tackle the current challenges related to the users’ interaction and experience and aiming to automate the software response to users’ actions, desires, and behaviors, the interactive systems should also include intelligent behaviors through embracing the Artificial Intelligence procedures and techniques