PT107370A

PT107370A - RECONFIGURABLE ARCHITECTURE FOR MISSION-ORIENTED EMBEDDED SYSTEMS

Info

Publication number: PT107370A
Application number: PT107370A
Authority: PT
Inventors: Moisés Sim Es Piedade; José Miguel De Carvalho Catela Teixeira; Rui Manuel Rodrigues Rocha
Original assignee: Inst Superior Técnico; Inst De Telecomunicaç Es
Priority date: 2013-12-17
Filing date: 2013-12-17
Publication date: 2015-06-17

Abstract

A PRESENTE INVENÇÃO REFERE-SE A UMA ARQUITETURA DE UM SISTEMA (10) DE SENSORIZAÇÃO/ATUAÇÃO DISTRIBUÍDO E CONTROLADO REMOTAMENTE CAPAZ DE SUPORTAR DIVERSAS APLICAÇÕES EM SIMULTÂNEO SEGUNDO DIFERENTES NÍVEIS DE DESEMPENHO. OS MÓDULOS COMPUTACIONAIS QUE CONSTITUEM O SISTEMA (10) INTERLIGAM-SE ATRAVÉS DE UMA REDE QUE LHES PERMITE RECEBER OS PEDIDOS DE MISSÃO. A REDE PERMITE TAMBÉM QUE RETORNEM OS DADOS ADQUIRIDOS E PROCESSADOS.A ESTA INVENÇÃO DIZEM RESPEITO AS CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DOS NÓS DA REDE, DORAVANTE DESIGNADOS POR DISPOSITIVOS (7), BEM COMO A FORMA COMO ESTES SÃO ORGANIZADOS.UM SISTEMA (10) É COMPOSTO POR CONJUNTOS (8), CADA CONJUNTO (8) É COMPOSTO POR DIVERSOS DISPOSITIVOS (7), SENDO UM DELES O LÍDER (6) DO CONJUNTO (8), E CADA DISPOSITIVO (7) COMPREENDE UNIDADES DE CINCO TIPOS DIFERENTES: A UNIDADE DE PROCESSAMENTO CENTRAL (1), A FONTE DE ENERGIA INTELIGENTE (2), O SENSOR/ATUADOR (3), O TRANSCETOR (4) E A UNIDADE DE PROCESSAMENTO AUXILIAR (5). A LIGAÇÃO DO SISTEMA (10) À INTERNET É FEITA ATRAVÉS DO VORTEX (9).The present invention relates to an architecture of a distributed and controlled control and sensing system (10) that is remotely capable of supporting a variety of applications in a similar manner to different levels of performance. THE COMPUTER MODULES THAT CONSTITUTE THE SYSTEM (10) INTERLINK THROUGH A NETWORK THAT ALLOWS YOU TO RECEIVE THE MISSION REQUESTS. THE NETWORK ALSO ALLOWS TO RETURN THE DATA ACQUIRED AND PROCESSED.TO THIS INVENTION THE PHYSICAL CHARACTERISTICS OF THE NETWORKS, DESIGNATED BY DEVICES (7) AND THEIR HOW THEY ARE ORGANIZED, ARE REQUIRED.THE SYSTEM (10) IS COMPOSED BY (8), each device (7) being composed of several devices (7), one of which is the leader (6) of the assembly (8), and each device (7) comprises units of five different types: the processing unit CENTRAL (1), THE INTELLIGENT ENERGY SOURCE (2), THE SENSOR / ACTUATOR (3), THE TRANSCEIVER (4) AND THE AUXILIARY PROCESSING UNIT (5). THE CONNECTION OF THE SYSTEM (10) TO THE INTERNET IS MADE VIA VORTEX (9).

Description

DESCRIÇÃODESCRIPTION

ARQUITETURA RECONFIGURÁVEL PARA SISTEMAS EMBEBIDOSRECONFIGURABLE ARCHITECTURE FOR EMBEDDED SYSTEMS

ORIENTADOS—À—MISSÃOMISSION-ORIENTED

Campo da invençãoField of the Invention

Campo técnico em que a invenção se insereTechnical field in which the invention is inserted

Esta invenção integra-se no paradigma dos Sistemas Embebidos, podendo ser aplicada em qualquer sistema embebido genérico ou em áreas que envolvem certas restrições, nomeadamente ao nivel da gestão de energia e das comunicações, como é o caso das Redes de Sensores.This invention is integrated in the Embedded Systems paradigm, and can be applied to any generic embedded system or in areas that involve certain restrictions, namely at the level of energy management and communications, such as Sensor Networks.

Estado da técnicaState of the art

Os sistemas embebidos são habitualmente projetados de acordo com um modelo em espiral, onde o método de ajustar a arquitetura final às especificações consiste em realizar várias iterações que se aproximam do objetivo final [1]. No entanto, uma vez instalados, estes sistemas são dificilmente reconfiguráveis, o que significa que qualquer pequena alteração aos requisitos pode levar a grandes modificações no sistema, tanto ao nivel de software como de hardware.Embedded systems are usually designed according to a spiral model, where the method of adjusting the final architecture to the specifications consists of performing several iterations that approach the final objective [1]. However, once installed, these systems are hardly reconfigurable, which means that any minor change to the requirements can lead to major changes in the system, both at the software and hardware levels.

Esta baixa reconfigurabilidade é particularmente prejudicial para os sistemas cujas restrições não permitem que operem no nivel máximo de desempenho durante todo o seu tempo de vida. Um exemplo paradigmático são as Redes Sem Fios de Sensores, que não podem ter os seus módulos de processamento e comunicação sempre ligados devido às restrições energéticas. Um subconjunto destas, as Redes Sem Fios de Sensores Multimédia [2], é ainda mais sensível a este problema visto que os dispositivos de captação de imagem/som/vídeo necessitam de mais potência elétrica do que os sensores escalares e acabam por consumir tanta energia como os módulos de processamento e comunicação. Outro aspeto que pode ser visto em [2] é a evolução das plataformas que suportam estes sistemas de forma modular (necessitando, ainda assim, de reprogramação e reinstalação para se adaptarem a novas aplicações) mas não em termos de reconfiguração. Um sistema destes que permita reconfigurabilidade reduzirá também, de forma imediata, os seus custos de manutenção, ao mesmo tempo que permitirá suportar uma maior variedade de aplicações e de protocolos desenvolvidos para as aplicações já existentes. Há vários pedidos de patente neste campo técnico, sendo que o nível de abstração e a abordagem à resolução dos problemas não se aproximam desta invenção. Os primeiros trabalhos, como [3], [4] e [9], descrevem um conjunto de características que qualquer Rede Sem Fios de Sensores poderá ter e que nos anos seguintes foram aprofundados tanto na área académica como na indústria. A configuração indicada consiste num conjunto de sensores que recebem sinais do ambiente e os processam para disponibilizar a um utilizador localizado remotamente. Em [3] e [9] os autores descrevem o comportamento da rede e em [4] a estrutura dos mesmos, de forma semelhante ao apresentado em [2] . Estes trabalhos iniciais não fazem menção a estratégias de reconfiguração dinâmica e, em termos de energia, apenas referem que os nós da rede devem ter noção da carga restante na alimentação e comunicá-la. A reconfiguração dinâmica é abordada em [5], embora os autores o façam apenas ao nivel dos nós da rede, não há referência à organização dos dispositivos para formar a rede nem a reconfiguração em tempo real. A ideia dos autores é terem um sistema pré-programado que configura automaticamente os sensores, de forma a ser preciso pouco mais do que fazer as ligações físicas (quasi plug and play) . Acabada esta primeira fase, o módulo não mais se reconfigura durante o seu tempo de operação.This low reconfigurability is particularly detrimental to systems whose constraints do not allow them to operate at peak performance throughout their lifetime. A paradigmatic example is Wireless Sensor Networks, which can not have their processing and communication modules always connected due to energy constraints. A subset of these, Wireless Multimedia Sensor Networks [2], is even more sensitive to this problem since image / sound / video capture devices require more electrical power than scalar sensors and end up consuming as much energy such as processing and communication modules. Another aspect that can be seen in [2] is the evolution of platforms that support these systems in a modular way (still requiring reprogramming and reinstallation to adapt to new applications) but not in terms of reconfiguration. Such a reconfigurable system will also immediately reduce its maintenance costs while supporting a wider range of applications and protocols developed for existing applications. There are several patent applications in this technical field, the level of abstraction and approach to problem solving not approaching this invention. The first works, such as [3], [4] and [9], describe a set of characteristics that any Wireless Sensor Network could have and which in the following years were deepened both in the academic area and in industry. The indicated configuration consists of a set of sensors that receive signals from the environment and process them to make it available to a remotely located user. In [3] and [9] the authors describe the behavior of the network and in [4] the structure of them, similarly to that presented in [2]. These initial works make no mention of dynamic reconfiguration strategies and, in terms of energy, only state that the nodes of the network must be aware of the remaining load in the feed and communicate it. Dynamic reconfiguration is addressed in [5], although the authors do so only at the level of the network nodes, there is no reference to the organization of the devices to form the network or reconfiguration in real time. The authors' idea is to have a preprogrammed system that automatically configures the sensors, so that it takes little more than making the physical connections (quasi plug and play). Once this first phase is finished, the module will no longer be reconfigured during its operating time.

Em [6], é referida uma unidade de sensorização capaz de recolher dados de vários eventos diferentes, reconfigurando-se de acordo com aquilo que quiser medir em cada altura, e capaz de transmitir os seus dados via rádio. No entanto, não é explicado como é que as unidades se reconfiguram nem como o sistema se estabelece e quem coordena as reconfigurações. Não é especificado nenhum aspeto ao nível da rede.In [6], a sensing unit capable of collecting data from several different events is referred to, reconfiguring according to what it wants to measure at each height, and capable of transmitting its data via radio. However, it is not explained how the units reconfigure either how the system is established and who coordinates the reconfigurations. No aspect is specified at the network level.

Outro campo técnico onde podem ser encontrados métodos semelhantes aos aqui descritos é a área das Redes-em-chip (Network-on-a-chip). Por exemplo, em [7] os autores propõem um sistema capaz de se auto configurar através da utilização de um protocolo de comunicação comum. À partida, se todos os componentes se apresentam segundo essa mesma interface, reduz-se o tempo necessário para criar sistemas complexos porque não é preciso conhecer a estrutura interna dos mesmos. São ideias que casam com as desta invenção em termos da organização interna dos dispositivos mas que não influenciam a organização do sistema como um todo.Another technical field where methods similar to those described herein may be found is the Network-on-a-chip area. For example, in [7] the authors propose a system capable of self-configuration through the use of a common communication protocol. At the outset, if all the components are presented along the same interface, the time required to create complex systems is reduced because it is not necessary to know the internal structure of the same. They are ideas that marry those of this invention in terms of the internal organization of devices but do not influence the organization of the system as a whole.

Em [8], os autores abordam um dos problemas que esta invenção pretende resolver (tempo de vida curto) mas de uma forma alternativa. Tentam proteger o método para construir (e reparar quando necessário) uma espinha-dorsal por onde a maior parte da informação da rede é transportada. A métrica utilizada para escolher que nós fazem parte dessa espinha-dorsal é a energia disponível mas os nós não podem ser reconfigurados para diferentes funções, apenas são colocados ou retirados dessa estrutura de acordo com o seu tempo de vida. A última patente analisada [10] propõe um esquema de reconfiguração dinâmica para que qualquer Rede Sem Fios de Sensores possa ser integrada numa área de aplicações mais ampla (business applications) . A maior lacuna é o fato de não especificarem quais os requisitos que os dispositivos da rede devem ter para poderem suportar a tal reconfiguração dinâmica. Acrescenta-se que não é proposta uma arquitetura do sistema, apenas uma camada de abstração que permita simplificar a programação e integração dos nós nas referidas aplicações.In [8], the authors address one of the problems that this invention intends to solve (short life time) but in an alternative way. They try to protect the method to build (and repair when necessary) a backbone where most of the network information is carried. The metric used to choose which we are part of this backbone is the available energy but the nodes can not be reconfigured for different functions, they are only placed or removed from this structure according to their lifetime. The last patent analyzed [10] proposes a dynamic reconfiguration scheme so that any Wireless Sensor Network can be integrated into a broader application area (business applications). The biggest gap is that they do not specify what requirements network devices must have to support such dynamic reconfiguration. It is added that it is not proposed a system architecture, only an abstraction layer that allows to simplify the programming and integration of the nodes in said applications.

Os avanços mais significativos em termos de reconf igurabilidade dos nós de sensores têm sido encontrados na área académica. Projetos como [11], [12] e [13] visaram esta questão recorrendo a hardware reconfigurável mas não propuseram um dispositivo totalmente reconfigurável nem consideraram a entidade a reconfigurar como um subconjunto da rede. A estratégia destes projetos corresponde a ver apenas nós isolados. Os autores de [11] centraram-se no processador, construindo-o a partir de uma unidade funcional reconfigurável e diferentes módulos dedicados a funções especificas para a área das Redes Sem Fios de Sensores, tais como o controlo do acesso ao meio. O objetivo dos autores de [12] foi melhorar a gestão das comunicações internas do nó. Sabendo que um destes dispositivos pode ter várias unidades de processamento, consideraram que seria necessário desenvolver novos protocolos de comunicação intra-dispositivo que permitissem explorar a velocidade dos diversos processadores ao máximo. Implementando estes protocolos em unidades de hardware reconfigurável, conseguiram reduzir os tempos de esperar e aumentar a velocidade de comunicação. Em [13], os autores focaram-se na interface entre a unidade de processamento e os sensores. Tornando esta interface reconfigurável, conseguiram diminuir significativamente o esforço necessário ao suporte de diversas aplicações com diferentes sensores. Tornaram-na completamente transparente ao controlador central desde que o sensor utilizado fosse suportado pelas bibliotecas desenvolvidas.The most significant advances in the reconfiguration of sensor nodes have been found in the academic field. Projects such as [11], [12] and [13] addressed this issue using reconfigurable hardware but did not propose a fully reconfigurable device nor did they consider the entity to reconfigure as a subset of the network. The strategy of these projects is to see only isolated nodes. The authors of [11] focused on the processor, building it from a reconfigurable functional unit and different modules dedicated to specific functions for the Wireless Sensor Networks area, such as access control to the medium. The goal of the authors of [12] was to improve the management of internal communications of the node. Knowing that one of these devices may have several processing units, they considered that it would be necessary to develop new intra-device communication protocols that would allow them to exploit the speed of the various processors to the maximum. By implementing these protocols in reconfigurable hardware units, they have managed to reduce wait times and increase communication speed. In [13], the authors focused on the interface between the processing unit and the sensors. Making this interface reconfigurable, they have managed to significantly reduce the effort required to support various applications with different sensors. They made it completely transparent to the central controller as long as the sensor used was supported by the developed libraries.

Existe a necessidade de desenvolver um método para indicar aos nós da rede as ações que devem realizar. A este conceito chamar-se-á, no decorrer do texto, missão. Ou seja, pretende-se que a organização do sistema seja despoletada por pedidos do utilizador sobre uma rede pré-instalada e não responder à abordagem habitual de pré-configurar os nós para uma aplicação conhecida. Só com uma rede preparada para qualquer missão se poderá atingir o objetivo de responder aos pedidos utilizando diferentes níveis de desempenho.There is a need to develop a method to tell the network nodes what they should do. This concept will be called, throughout the text, mission. That is, the organization of the system is intended to be triggered by user requests over a pre-installed network and does not respond to the usual approach of preconfiguring the nodes to a known application. Only with a network ready for any mission can the goal of responding to requests be achieved using different levels of performance.

Sumário da invençãoSUMMARY OF THE INVENTION

Esta invenção refere-se a um método para suportar uma arquitetura para sistemas embebidos em rede caracterizada por ser reconfigurável. A reconfigurabilidade da arquitetura é caracterizada pela orientação a um objetivo comum - missão. A reconfiguração da arquitetura é suportada pela organização das diferentes unidades em diversos níveis de abstração - dispositivo (7), conjunto (8) e sistema (10), do mais baixo para o mais alto - para facilitar o cumprimento da missão. A reconfiguração do sistema (10) está sempre subordinada às reservas energéticas de cada um dos dispositivos que o constituem. A arquitetura é também caracterizada pela capacidade de suportar diversas aplicações em simultâneo e pela possibilidade de reajustar os diferentes níveis de abstração em qualquer momento da operação do sistema de acordo com os requisitos da missão. A arquitetura para sistemas embebidos em rede pode ser utilizada em cenários de monitorização remota de ecossistemas protegidos, em cenários de catástrofe, em cenários de monitorização de edifícios, em cenários de controlo de risco em infraestruturas físicas, em cenários de vigilância e em cenários de controlo de presenças de indivíduos ou objetos.This invention relates to a method for supporting an architecture for network embedded systems that is reconfigurable. The reconfigurability of the architecture is characterized by the orientation to a common goal - mission. The reconfiguration of the architecture is supported by the organization of the different units at various levels of abstraction - device (7), set (8) and system (10), from lowest to highest - to facilitate mission fulfillment. The reconfiguration of the system (10) is always subordinate to the energy reserves of each of its constituent devices. The architecture is also characterized by the ability to support multiple applications simultaneously and by the ability to readjust the different levels of abstraction at any point in the system operation according to mission requirements. The architecture for network embedded systems can be used in scenarios of remote monitoring of protected ecosystems, disaster scenarios, building monitoring scenarios, risk control scenarios in physical infrastructures, surveillance scenarios and control scenarios of the presence of individuals or objects.

Descrição detalhada da invençãoDetailed description of the invention

Esta invenção refere-se a uma arquitetura de um sistema (10) de sensorização/atuação distribuído e controlado remotamente capaz de suportar diversas aplicações em simultâneo segundo diferentes níveis de desempenho. Os módulos computacionais que constituem o sistema (10) interligam-se através de uma rede que lhes permite receber os pedidos correspondentes às ações que devem levar a cabo sob a forma de missões. A rede permite também que retornem os dados adquiridos e processados. A forma como cada missão é adjudicada a cada módulo computacional, ou nó da rede, e os requisitos que estes devem respeitar, são explicados nos parágrafos seguintes. A esta invenção dizem respeito as características físicas dos nós da rede, doravante designados por dispositivos (7), bem como a forma como estes são organizados em diferentes níveis de abstração e os mecanismos de reconfiguração que lhes permitem completar as missões requeridas pelo utilizador.This invention relates to an architecture of a remotely controlled distributed and distributed sensing / actuation system (10) capable of supporting multiple applications simultaneously at different performance levels. The computational modules that make up the system (10) interconnect through a network that allows them to receive requests corresponding to the actions that they must carry out in the form of missions. The network also allows you to return acquired and processed data. The way each mission is assigned to each computational module, or node of the network, and the requirements that they must comply with, are explained in the following paragraphs. This invention relates to the physical characteristics of the network nodes, hereinafter referred to as devices (7), as well as the way in which they are organized in different levels of abstraction and the reconfiguration mechanisms that allow them to complete the tasks required by the user.

Para melhor se compreenderem estas duas vertentes, descrevem-se primeiro os componentes do sistema (10) e depois explica-se a sua dinâmica de funcionamento.In order to better understand these two aspects, the components of the system (10) are first described and their operating dynamics explained.

Os níveis de organização do sistema (10) podem ser observados na Figura 1. O nível mais alto é o sistema (10), um sistema (10) é composto por conjuntos (8), cada conjunto (8) é composto por diversos dispositivos (7), sendo um deles o líder (6) do conjunto (8), e cada dispositivo (7) compreende unidades de cinco tipos diferentes: a unidade de processamento central (1), a fonte de energia inteligente (2), o sensor/atuador (3), o transcetor (4) e a unidade de processamento auxiliar (5). A ligação do sistema (10) à internet é feita através do vortex (9). Do mais geral para o mais específico, os diferentes níveis de abstração a que o sistema (10) pode ser configurado são o próprio sistema (10), o conjunto (8) e o dispositivo (7). O termo "unidade" deve ser entendido como um dos componentes básicos do dispositivo (7), seja a unidade de processamento central (1), a fonte de energia inteligente (2), o sensor/atuador (3), o transcetor (4) e a unidade de processamento auxiliar (5). As diferentes unidades são descritas de seguida. A unidade de processamento central (1) coordena as restantes unidades, isto é, determina quais devem estar ativas em cada momento e que funções devem desempenhar. Em termos de hardware, esta unidade pode ser implementada através de um microcontrolador ou de um conjunto de portas lógicas programáveis. A fonte de energia inteligente (2) diz respeito não só às fontes ambientais das quais pode ser retirada energia para alimentar o sistema (10) mas também à sua combinação com uma bateria inteligente. A bateria diz-se inteligente porque tem a capacidade de decidir de que fontes recolher a energia e também comunicar os seus níveis de carga à unidade de processamento central (1).The organization levels of the system 10 can be seen in Figure 1. The highest level is the system 10, a system 10 is composed of sets 8, each set 8 is composed of various devices (7), one of which is the leader (6) of the assembly (8), and each device (7) comprises units of five different types: the central processing unit (1), the intelligent energy source sensor / actuator (3), the transceiver (4) and the auxiliary processing unit (5). The connection of the system (10) to the internet is via the vortex (9). From the most general to the most specific, the different levels of abstraction to which the system 10 can be configured are the system 10 itself, the assembly 8 and the device 7. The term " unit " is to be understood as one of the basic components of the device 7, whether it be the central processing unit 1, the intelligent power source 2, the sensor / actuator 3, the transceiver 4, (5). The different units are described below. The central processing unit (1) coordinates the remaining units, that is, determines which ones must be active at each moment and what functions they should perform. In terms of hardware, this unit can be implemented through a microcontroller or a set of programmable logic gates. The intelligent energy source (2) relates not only to environmental sources from which power can be withdrawn to power the system (10) but also to its combination with a smart battery. The battery is said to be intelligent because it has the ability to decide which sources to collect the energy and also to communicate its charge levels to the central processing unit (1).

Sensor/atuador (3) é o termo utilizado para designar circuitos físicos capazes de medir as condições ambientais e/ou de atuar sobre o meio ambiente. Pode relacionar-se com temperatura, humidade, pressão, luminosidade, vibração, som, vídeo, localização ou qualquer outra grandeza física mensurável.Sensor / actuator (3) is the term used to designate physical circuits capable of measuring environmental conditions and / or acting on the environment. It can relate to temperature, humidity, pressure, luminosity, vibration, sound, video, location or any other measurable physical magnitude.

Os transcetores (4) são as unidades que permitem a comunicação entre dispositivos (7), entre os conjuntos (8) e entre os conjuntos (8) e o vortex (9) . Estes são, geralmente, de três tipos: interfaces de muito baixo débito (utilizadas para ações de despertar e para sinalização), débito moderado (para gestão da rede) e alto débito (para transmissão de dados multimédia). Podem ser implementados como circuitos integrados independentes ou através de uma única unidade de rádio reconfigurável como um Rádio Definido por Software (Software Defined Radio). A unidade de processamento auxiliar (5) é um módulo de hardware reconfigurável que possibilita que o mesmo dispositivo (7) efetue diversas operações e que concretize iguais operações em diversos modos de desempenho. Estas podem ir desde a aquisição de informação dos sensores/atuadores (3) e gestão de transcetores (4) até à coordenação da comunicação entre as diversas unidades do mesmo dispositivo (V), empacotamento de mensagens, compressão de informação e processamento de dados.The transceivers 4 are the units that allow communication between devices 7, between the assemblies 8 and between the assemblies 8 and vortex 9. These are generally of three types: very low-rate interfaces (used for wake-up and signaling actions), moderate throughput (for network management) and high throughput (for multimedia data transmission). They can be implemented as independent integrated circuits or through a single reconfigurable radio unit such as Software Defined Radio. The auxiliary processing unit 5 is a reconfigurable hardware module which enables the same device 7 to perform various operations and to perform the same operations in various modes of performance. These can range from information acquisition of sensors / actuators (3) and transceiver management (4) to coordination of communication between the various units of the same device (V), message packing, information compression and data processing.

Numa implementação deste sistema (10), todos os dispositivos (7) devem estar dotados das mesmas unidades, logo dos mesmos sensores/atuadores (3), transcetores (4) e unidades de processamento auxiliar (5). Estando dotados dos mesmos meios de recolha de energia do ambiente, caberá às fontes de energia inteligentes (2), de acordo com a sua exposição, decidir a partir de quais alimentar o dispositivo (7) . Quer isto dizer que a quantidade de cada um dos tipos de unidade pode ser superior a um, à exceção da unidade de processamento central (1), que é única em cada dispositivo (7). Sendo a unidade o nivel mais baixo ao qual o sistema (10) pode ser configurado, enquanto aparelho físico o dispositivo (7) é o mais pequeno no qual o sistema (10) pode ser dividido. Isto é, depois de instalada a rede é possível reorganizar os dispositivos (7) para formar conjuntos (8) diferentes mas não é possível rearranjar o número de unidades presentes em cada dispositivo (7). A unidade de processamento central (1) de cada dispositivo (7) é programada com uma camada de software que permite inquirir as restantes unidades e saber que sensores/atuadores (3), transcetores (4) e unidades de processamento auxiliar (5) estão disponíveis. Apesar de todos os dispositivos (7) serem à partida iguais, pode acontecer que nem todas as unidades estejam disponíveis durante toda a operação do sistema (10), seja devido a restrições energéticas, a falhas ou a estarem já dedicadas ao cumprimento de uma missão.In an implementation of this system 10, all the devices 7 must be provided with the same units, hence the same sensors / actuators 3, transceivers 4 and auxiliary processing units 5. Having the same means of collecting energy from the environment, it will be up to the intelligent energy sources (2), according to their exposure, to decide from which to feed the device (7). That is to say that the quantity of each of the unit types may be greater than one, with the exception of the central processing unit 1, which is unique in each device 7. Since the unit is the lowest level at which the system 10 can be configured, as the physical device the device 7 is the smallest at which the system 10 can be divided. That is, after the network is installed it is possible to rearrange the devices 7 to form different sets 8 but it is not possible to rearrange the number of units present in each device 7. The central processing unit 1 of each device 7 is programmed with a software layer that allows to inquire the remaining units and to know which sensors / actuators 3, transceivers 4 and auxiliary processing units 5 are available. Although all of the devices (7) are the same at the outset, it may happen that not all units are available during the entire operation of the system (10), either due to energy constraints, failures, or already committed to a mission .

Imediatamente após a instalação da rede, os dispositivos (7) comunicam os seus recursos (em termos de unidades e energia disponíveis) e localização aos nós vizinhos. Feita esta troca de informação, os conjuntos (8) são inicialmente estabelecidos de acordo com um critério definido pelo utilizador aquando da instalação da rede, como por exemplo a proximidade, as unidades ativas ou a energia disponível. Em cada conjunto (8) é selecionado um líder (6), seja pelo utilizador através de uma configuração fixa, seja pelos dispositivos (7) do conjunto (8) através de um processo de eleição. Passa a ser o líder (6) a responder aos pedidos de cumprimento de missão feitos pelo utilizador através do vortex (9). No caso de um cenário de eleição, a seleção do líder (6) pode estar primeiramente dependente dos seus recursos energéticos, visto que os dispositivos (7) com maiores reservas ou maior capacidade de recuperação de energia do ambiente poderão estar mais tempo em funcionamento, garantindo uma operação mais constante e mantendo o utilizador atualizado sobre o estado do sistema (10) . Outros critérios são, por exemplo, a localização, a possibilidade de comunicar diretamente com os restantes conjuntos (8) e as características dos canais de comunicação que pode estabelecer. A forma como os vários conjuntos (8) e os dispositivos (7) dentro dos conjuntos (8) são interligados não está limitada pelas suas características físicas nem pelos níveis de abstração e mecanismos de reconfiguração que foram abordados. O sistema (10) pode estar organizado hierarquicamente ou segundo qualquer outra topologia que se queira adotar. No entanto, a organização escolhida não pode impedir a aplicação dos mecanismos de reconfiguração necessários para o cumprimento das missões. 0 que é importante é que, quando o utilizador pretende que o sistema (10) cumpra uma determinada missão, os lideres (6) sejam contactados, independentemente da organização da rede. A mensagem enviada aos lideres (6) contém não só a missão em si (o que deve ser feito), bem como a localização (onde deve ser feito), o intervalo de tempo em que deve ser levada a cabo (quando deve ser feito) e o nivel de aceitação de falhas (quão preciso deve ser o cumprimento da missão) . Os lideres (6) respondem então com o custo operacional da missão. O termo "custo operacional" deve ser entendido como uma métrica de comparação do esforço que cada conjunto (8) terá de despender para completar a missão. Compreende a possibilidade de cumprimento da missão, o número de nós necessários e o gasto de energia expectável.Immediately after the installation of the network, the devices (7) communicate their resources (in terms of available units and energy) and location to the neighboring nodes. Once this information exchange has been made, the sets (8) are initially set according to a user-defined criterion when the network is installed, such as proximity, active units or available energy. In each set (8) a leader (6) is selected either by the user in a fixed configuration or by the devices (7) of the assembly (8) through an election process. Becomes the leader (6) to respond to requests for mission fulfillment made by the user through vortex (9). In the case of an election scenario, the selection of the leader (6) may be primarily dependent on his or her energy resources, since the devices (7) with the greatest reserves or greater capacity for recovering energy from the environment may be more time in operation, ensuring a more constant operation and keeping the user up to date on the state of the system (10). Other criteria are, for example, the location, the possibility of communicating directly with the remaining sets (8) and the characteristics of the communication channels that it can establish. The manner in which the various assemblies 8 and the devices 7 within the sets 8 are interconnected is not limited by their physical characteristics or the levels of abstraction and reconfiguration mechanisms that have been addressed. The system (10) can be organized hierarchically or according to any other topology that one wants to adopt. However, the chosen organization can not prevent the implementation of the reconfiguration mechanisms necessary for the fulfillment of the missions. What is important is that, when the user wants the system (10) to perform a certain task, the leaders (6) are contacted, regardless of the organization of the network. The message sent to the leaders (6) contains not only the mission itself (what should be done), but also the location (where it should be done), the time interval in which it should be carried out (when it should be done ) and the level of acceptance of failures (how precise the fulfillment of the mission must be). The leaders (6) then respond with the operational cost of the mission. The term " operational cost " should be understood as a benchmark of effort comparison that each set (8) will have to spend to complete the mission. It includes the possibility of fulfilling the mission, the number of nodes needed and the expected energy expenditure.

Com estes dados, o sistema (10) adjudica a missão ao conjunto (8) que apresentar menor estimativa de custo operacional. Em consequência, a unidade de processamento central (1) de um lider (6) a quem tenha sido adjudicada uma missão indica aos restantes dispositivos (7) do seu conjunto (8) a forma como devem configurar as suas unidades de processamento auxiliar (5) para o cumprimento da missão. Se não for recebida nenhuma mensagem afirmativa que permita cumprir a missão dentro do intervalo de tempo especificado, o utilizador pode escolher entre descartar a missão ou reajustar o nivel de precisão pretendido, emitindo um novo pedido.With this data, the system (10) allocates the mission to the set (8) which has the lowest operating cost estimate. As a result, the central processing unit 1 of a leader 6 assigned to a mission indicates to the other devices 7 of its set 8 how they are to configure their auxiliary processing units 5 ) for the accomplishment of the mission. If no affirmative message is received that allows the mission to be accomplished within the specified time interval, the user may choose to discard the mission or re-adjust the level of accuracy required by issuing a new request.

Existe ainda a possibilidade de proceder a uma reorganização dos conjuntos (8) no caso de o sistema (10) não estar a conseguir responder afirmativamente a nenhum pedido de missão, ou seja, no caso em que a organização inicial do sistema (10) não é compatível com as missões a cumprir e não garante a sua exequibilidade. Neste caso, os conjuntos (8) são redimensionados por forma a otimizar os seus custos operacionais. Isto pode ser feito aumentando ou diminuindo o seu raio de ação ou reorganizando os próprios conjuntos (8) alterando o número de dispositivos (7) presentes em cada um. A arquitetura para sistemas embebidos em rede pode ser utilizada em cenários de monitorização remota de ecossistemas protegidos, em cenários de catástrofe, em cenários de monitorização de edifícios, em cenários de controlo de risco em infraestruturas físicas, em cenários de vigilância e em cenários de controlo de presenças de indivíduos ou objetos.There is also the possibility of reorganizing sets (8) if the system (10) is not being able to respond in the affirmative to any request for a mission, ie in the case where the initial organization of the system (10) does not is compatible with the missions and does not guarantee its feasibility. In this case, the assemblies (8) are resized in order to optimize their operating costs. This can be done by increasing or decreasing their radius of action or by rearranging the sets themselves (8) by changing the number of devices (7) present in each. The architecture for network embedded systems can be used in scenarios of remote monitoring of protected ecosystems, disaster scenarios, building monitoring scenarios, risk control scenarios in physical infrastructures, surveillance scenarios and control scenarios of the presence of individuals or objects.

Descrição das figuras A Figura 1 representa os diferentes níveis do sistema (10). Cada dispositivo (7) é constituído por uma ou mais das seguintes unidades, à exceção da unidade de processamento central (1), que é única: 1. Unidade de processamento central 2. Fonte de energia inteligente 3. Sensor/atuador 4 . Transcetor 5. Unidade de processamento auxiliar Cada conjunto (8) é constituído por um líder (6) e vários dispositivos (7) . O sistema (10) é constituído por vários conjuntos (8) e por um vortex (9) para tratar da ligação do sistema (10) à internet. A Figura 2 representa o dispositivo (7), que é constituído por uma unidade de processamento central (1), uma ou mais fontes de energia inteligentes (2), um ou mais sensores/atuadores (3), um ou mais transcetores (4) e uma ou mais unidades de processamento auxiliar (5). A Figura 3 representa o conjunto (8), que é constituído por um líder (6) e vários dispositivos (7). A Figura 4 representa o sistema (10) no nível de abstração mais alto, onde se podem observar os diversos conjuntos (8) interligados em rede e o vortex (9) que gere a comunicação entre o sistema (10) e a internet.DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Figure 1 shows the different levels of the system (10). Each device 7 is constituted by one or more of the following units, except for the central processing unit 1, which is unique: 1. Central processing unit 2. Intelligent power source 3. Sensor / actuator 4. Transceiver 5. Auxiliary processing unit Each assembly (8) is comprised of a leader (6) and various devices (7). The system 10 comprises several assemblies 8 and a vortex 9 for dealing with the connection of the system 10 to the internet. Figure 2 shows the device 7, which is constituted by a central processing unit 1, one or more intelligent energy sources 2, one or more sensors / actuators 3, one or more transceivers 4. ) and one or more auxiliary processing units (5). Figure 3 shows the assembly (8), which is constituted by a leader (6) and several devices (7). Figure 4 shows the system 10 at the highest abstraction level, where the various networked sets 8 and the vortex 9 which generates communication between the system 10 and the internet can be seen.

ExemplosExamples

As áreas de aplicação desta invenção incluem um largo espectro, compreendendo todas as aplicações que requeiram diferentes níveis de desempenho em diferentes períodos de tempo, bem como múltiplas aplicações correndo sobre a mesma rede.The application areas of this invention include a broad spectrum comprising all applications that require different levels of performance at different time periods as well as multiple applications running on the same network.

Mais concretamente, são exemplos do primeiro caso qualquer aplicação de monitorização remota, como conjuntos de satélites (swarms), acompanhamento de espécies em vias de extinção e cenários de catástrofe. Exemplos do segundo caso são cenários de vigilância, de controlo de presenças de indivíduos ou objetos, de avaliação de risco sobre infraestruturas críticas e monitorização de espaços fechados, onde diferentes tipos de dados podem ser pedidos ao mesmo sistema, bem como a atuação autónoma sobre esses mesmos dados.More specifically, examples of the first case are any remote monitoring applications, such as swarms, monitoring of endangered species and disaster scenarios. Examples of the second case are surveillance scenarios, control of presence of individuals or objects, risk assessment of critical infrastructures and monitoring of closed spaces, where different types of data can be requested to the same system, as well as the autonomous action on these same data.

Exemplo 1 O primeiro exemplo a ser analisado em detalhe é o caso do acompanhamento de espécies em vias de extinção, em que um cenário de aplicação plausível seria a monitorização das condições de vida de uma comunidade de morcegos dentro de uma caverna. Estes mamíferos não suportam a presença de humanos, o que torna a monitorização das suas condições ambientais uma tarefa complicada.Example 1 The first example to be analyzed in detail is the case of monitoring endangered species, where a plausible application scenario would be to monitor the living conditions of a community of bats within a cave. These mammals do not support the presence of humans, which makes monitoring their environmental conditions a complicated task.

Neste cenário, cada dispositivo (7) poderia ser composto pelas seguintes unidades: uma unidade de processamento central (1), uma fonte de energia inteligente (2) capaz de recolher energia solar, uma fonte de energia inteligente (2) capaz de recolher energia vibratória, uma pluralidade de sensores (3) , tais como de humidade, de temperatura, de vibração e de captação de vídeo, um transcetor (4) de baixo débito, um transcetor de alto débito (4) e uma unidade de processamento auxiliar (5). 0 número de dispositivos necessários dependeria das dimensões da caverna em estudo mas, para este exemplo, uma pequena área coberta por 10 dispositivos (7) serve como caso de estudo. O primeiro estágio de monitorização consistiria na medição de indicadores básicos de conforto (humidade, temperatura e vibração da estrutura), pelo que bastaria estabelecer um conjunto (8), com todos os nós a encaminharem informação dos outros em direção ao líder (6) . O líder (6) seria escolhido por eleição, sendo o mais próximo do vortex (9), que estaria colocado fora da caverna. Neste estágio seria suficiente utilizar o transcetor (4) de baixo débito para que os nós da rede comunicassem entre si e as unidades de processamento auxiliar (5) tratariam de recolher os dados dos diversos sensores (3) e empacotá-los para envio.In this scenario, each device 7 could be composed of the following units: a central processing unit 1, an intelligent energy source 2 capable of collecting solar energy, an intelligent energy source 2 capable of collecting energy (3), such as humidity, temperature, vibration and video capture, a low-speed transceiver (4), a high-output transceiver (4) and an auxiliary processing unit ( 5). The number of devices required would depend on the dimensions of the cave being studied, but for this example a small area covered by 10 devices (7) serves as a case study. The first stage of monitoring would be to measure basic comfort indicators (humidity, temperature, and vibration of the structure), so it would be enough to establish a set (8), with all nodes forwarding information from others towards the leader. The leader (6) would be chosen by election, being the one closest to the vortex (9), which would be placed outside the cave. At this stage it would be sufficient to use the low-speed transceiver (4) for the nodes of the network to communicate with each other and the auxiliary processing units (5) would try to collect the data from the various sensors (3) and pack them for shipping.

Durante este estágio, seria lançada como missão a reação a um evento disruptivo, como por exemplo um aumento súbito de vibração da caverna. Aquando da sua ocorrência, os dispositivos (7) mudariam automaticamente para um modo de mais alto desempenho, onde o tipo e a frequência de emissão de dados são alterados. Os que tivessem maiores reservas de energia ou estivessem colocados em zonas onde pudessem fazer uso das fontes de energia inteligente (2) ligariam as câmeras de vídeo para recolher e enviar imagens da zona ao utilizador. Neste estágio seria necessário reorganizar os conjuntos (8) para que os dados multimédia percorressem o menor caminho possível até ao vortex (9) . As unidades de processamento auxiliar (5) estariam neste momento a ser utilizadas para comprimir os dados. Note-se que a aplicação principal continua a correr em paralelo, nem todos os dispositivos (7) são associados a esta segunda função.During this stage, it would be launched as a mission the reaction to a disruptive event, as for example a sudden increase of vibration of the cave. Upon their occurrence, the devices (7) would automatically switch to a higher performance mode, where the type and frequency of data transmission are changed. Those with the highest energy reserves or were placed in areas where they could use intelligent energy sources (2) would link the video cameras to collect and send images of the zone to the user. At this stage it would be necessary to rearrange the sets (8) so that the multimedia data runs through the smallest possible path to the vortex (9). The auxiliary processing units (5) would now be used to compress the data. Note that the main application continues to run in parallel, not all devices (7) are associated with this second function.

Exemplo 2 0 segundo exemplo de utilização do sistema (10) diz respeito a um cenário onde se procede à monitorização das condições de um edifício. Neste caso os requisitos de sensorização são ainda mais diversificados do que no exemplo anterior, podendo ir desde as condições ambientais para o conforto das pessoas que habitam o edifício, às condições de degradação do espaço ou a questões de segurança.Example 2 The second example of using the system (10) concerns a scenario where the conditions of a building are monitored. In this case the sensor requirements are even more diverse than in the previous example, ranging from environmental conditions to the comfort of the people who inhabit the building, to the conditions of degradation of the space or to safety issues.

Neste cenário, cada dispositivo (7) poderia ser composto pelas seguintes unidades: uma unidade de processamento central (1), uma fonte de energia inteligente (2) capaz de recolher energia solar, uma fonte de energia inteligente (2) capaz de ser ligada à rede elétrica, uma pluralidade de sensores (3) , tais como de humidade, de temperatura, de vibração, de captação de som e de captação de vídeo, um transcetor (4) de baixo débito, um transcetor de alto débito (4) e uma unidade de processamento auxiliar (5) . O número de dispositivos (7) que constituiriam o sistema (10) é deixado propositadamente em aberto para que se compreenda que o funcionamento do sistema (10) é independente do tamanho do edifício ou da concentração dos dispositivos (7) , desde que todos tenham contacto a pelo menos um outro dispositivo (7) da rede.In this scenario, each device 7 could be composed of the following units: a central processing unit 1, an intelligent energy source 2 capable of collecting solar energy, an intelligent energy source 2 capable of being switched on to the electrical network, a plurality of sensors 3 such as humidity, temperature, vibration, sound pickup and video capture, a low-speed transceiver 4, a high-output transceiver 4, and an auxiliary processing unit (5). The number of devices (7) constituting the system (10) is purposely left open to be understood that the operation of the system (10) is independent of the size of the building or the concentration of the devices (7), provided that all contact the at least one other device (7) of the net.

Uma primeira divisão dos dispositivos (7) em conjuntos (8) poderia respeitar apenas critérios geográficos, ou seja, cada conjunto (8) poderia proceder à monitorização de um dos andares do edifício, escolhendo-se o líder (6) de cada conjunto de acordo com a sua proximidade ao vortex (9) . Nesse sentido, uma primeira missão enviada pelo utilizador poderia corresponder à realização de um mapa das condições de temperatura, humidade, ruído e vibração em cada um dos andares do edifício. Esta missão não deveria obrigar a uma reorganização dos conjuntos visto que os requisitos energéticos deste tipo de monitorização são baixos.A first division of the devices (7) into sets (8) could only respect geographical criteria, ie each set (8) could monitor one of the floors of the building, choosing the leader (6) from each set of according to their proximity to the vortex (9). In this sense, a first mission sent by the user could correspond to the mapping of the conditions of temperature, humidity, noise and vibration in each of the floors of the building. This mission should not require a reorganization of assemblies since the energy requirements of this type of monitoring are low.

Numa segunda fase, em que fosse detetado algum problema ou apenas porque o utilizador pretendesse utilizar o sistema (10) para monitorizar as condições de segurança do edifício, seria necessário ativar os sensores (3) de maior consumo, como as câmeras de vídeo. Neste caso, e dependendo do edifício em causa, poderia ser suficiente manter os conjuntos (8) iniciais, passando os líderes (6) a ser aqueles que tivessem acesso às fontes de energia inteligentes (2) capazes de recolher energia da rede elétrica, ou poderia ser necessário reorganizar os conjuntos (8) para garantir a exequibilidade da missão. Poderia dar-se ainda o caso de o utilizador pretender uma monitorização com critérios de localização diferentes dos inicialmente estabelecidos para os conjuntos (8) - um por andar. Em qualquer uma destas situações, o sistema (10) teria a capacidade de se reorganizar e refazer os conjuntos (8) para cumprir com a nova missão.In a second stage, where a problem was detected or only because the user wanted to use the system (10) to monitor the building safety conditions, it would be necessary to activate the higher consumption sensors (3), such as video cameras. In this case, and depending on the building in question, it may be sufficient to keep the initial sets (8), the leaders (6) being those having access to the intelligent energy sources (2) capable of collecting power from the power grid, or it might be necessary to reorganize sets (8) to ensure the feasibility of the mission. It could still be the case that the user wishes to monitor with location criteria different from those initially set for the sets (8) - one per floor. In either of these situations, the system (10) would have the ability to reorganize and remake the sets (8) to accomplish the new mission.

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Lisboa, 17 de dezembro de 2013Lisbon, December 17, 2013

Claims

An architecture for network embedded systems characterized in that it comprises a reconfigurable and mission-oriented system (10) connected to the internet via a vortex (9) and composed of a plurality of assemblies (8), each set ( 8) is composed of a plurality of devices (7), one of which is the leader (6) of the assembly (8), and each device (7) comprises units of five different types: the central processing unit (2), the sensor / actuator (3), the transceiver (4) and the auxiliary processing unit (5).

An architecture for network embedded systems according to claim 1, characterized in that the device (7) comprises only a central processing unit (1) and a plurality of intelligent energy sources (2), sensors / actuators (3 ), transceivers (4) and auxiliary processing units (5).

An architecture configuration method for the network embedded systems defined in the preceding claims, characterized in that it comprises the following steps: a. initial establishment of sets (8); B. selection of leaders (6); W. sending mission requests to leaders (6); d. responses from leaders (6) with estimates of operating cost; and. (8) or reconfiguration of the system (10).

Method according to claim 3, characterized in that the initial set-up of the sets (8) is carried out according to a criterion defined by the user when installing the network.

Method according to claim 3, characterized in that the leaders (6) are chosen by the user in a fixed configuration, or by the devices (7) of the assembly (8), by means of an election process.

A method according to claim 3, characterized in that the mission requests are sent only to the leaders (6) of the assemblies (8).

A method according to claim 3, characterized in that the leaders (6) respond to the mission requests with operational cost estimates.

Method according to claim 3, characterized in that there is an automatic assignment of the mission to the set (8) whose leader (6) indicates a lower operating cost estimate.

A method according to claim 8, characterized by activating the system reconfiguration mechanism (10), returning to the initial set up of sets (8) when no set leader (6) (8) indicates an operating cost estimate.

Use of the architecture for network embedded systems defined in claims 1 and 2, characterized in that it is used in scenarios for remote monitoring of protected ecosystems, disaster scenarios, building monitoring scenarios, infrastructure risk control scenarios surveillance scenarios and scenarios to control the presence of individuals or objects. Lisbon, December 17, 2013