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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.3.2016.tde-09112016-145959
Documento
Autor
Nome completo
Jorge Rodolfo Beingolea Garay
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2012
Orientador
Banca examinadora
Kofuji, Sergio Takeo (Presidente)
Alcazár, José de Jesus Pérez
Rosa, Pedro Frosi
Silva, Flavio Soares Correa da
Zuffo, Marcelo Knorich
Título em português
CyberSens: uma plataforma para redes de sensores em sistemas ciber-físicos.
Palavras-chave em português
Arquitetura orientada a serviços
Middleware
Redes de sensores sem fio
Sistemas ciber-físicos
Wireless
Resumo em português
O recente surgimento de um novo conceito que propõe a integração do mundo físico com sistemas computacionais leva as redes de sensores a serem unicamente parte de um processo colaborativo para fins de integração, com um objetivo maior do que só observar o ambiente. Este novo conceito é conhecido como Sistema Ciber-Físico (tradução do inglês Cyber Physical System - CPS), e consiste numa rede de elementos que atuam entre o meio físico e as aplicações computacionais (Sensoriamento - Atuação - Controle - Aplicação), concluindo num sistema de gestão capaz de agrupar diversas aplicações com capacidade de funcionamento autônomo, assim como distribuído. Entretanto, para que esta tecnologia se torne viável para os diversos contextos do mundo físico, é necessário considerar as limitações dos elementos computacionais que a integram e, para o caso, essas limitações passam a ser maiores quando se trata de uma rede de sensores. Este trabalho de tese tem foco na camada de sensoriamento, discute inicialmente alguns dos pressupostos supracitados e define algumas características e requisitos dos CPS necessárias para a padronização de alguns processos. Propõe também o desenvolvimento de uma Plataforma para redes de sensores em Sistemas Ciber-Físicos, um middleware, capaz de se adaptar às limitações e necessidades, que serão apresentadas posteriormente numa aplicação exemplo. Como primeiro ponto: i) O trabalho apresenta as necessidades para estes tipos de sistemas e aborda definições relevantes; ii) Discute-se a definição em camadas do middleware CiberSens iii) Aplicação da proposta numa aplicação-exemplo. Do primeiro ponto: Os CPS constituem uma pesquisa relativamente nova, como resultado, muitos aspectos precisam ser definidos com o intuito de facilitar o entendimento da arquitetura e implementçã. Do segundo ponto: Os dispositivos transdutores representam um papel de relevante importância nas diversas aplicações, na área de automação residencial e nas aplicações biomédicas, esta última com exponencial crescimento de aplicações que procuram melhorar a qualidade de vida dos pacientes. Nesse contexto, se faz necessário um minucioso estudo dos conceitos e características que dever~ao ser consideradas no desenho em camadas da plataforma de gerenciamento para redes de sensores em CPS. No desenho a flexibilidade do sistema dever´a estar sujeita ao fácil domínio e controle por parte de usuário final, que será o verdadeiro responsável pelo funcionamento do Sistema Ciber-Físico e da aplicação em curso. Do terceiro ponto: Com o intuito de eliminar possíveis erros e identificar limitações no uso do sistema por parte dos atores do sistema (usuário e administrador), além de demonstrar a viabilidade da proposta, é levado o modelamento e definição de conceitos para sua aplicação num caso real. Nesta etapa é realizada simultaneamente a implementação de um módulo integrador encarregado da captura e abstração de protocolos na camada de comunicação e conexão com o módulo de armazenamento, e a camada de serviços. Uma avaliação é necessária não só para validar a técnica e o modelo utilizado na implementação da arquitetura do CiberSens e sim também para determinar a confiabilidade da comunicação e eficácia ante um evento critico, a validação acontece através da formalização de processos de controle, sensoriamento e atuação com a ferramenta SysML.
Título em inglês
CyberSens: a platform for sensor networks in cyber-physical system.
Palavras-chave em inglês
Cyber-physical system
Management
Middleware
Service oriented architecture
Wireless sensor network
Resumo em inglês
Recently, the emergence of a new concept that proposes the integration of the physical world with computing systems, is taking sensor networks to be only part of a collaborative process with a larger goal than just observing the environment. This new paradigm is known as Cyber-Physical Systems, and consists of a network of elements that act between the physical environment and computational applications (Sensing - Actuation - Control - Application), ending in a management system able to group several applications with standalone and distributed operation capabilities. However, to this technology become viable for the diverse contexts of the physical world, it is necessary to consider the limitations of computational elements that compose it, and in this case, these limitations increase when it comes to sensor networks. This thesis focuses on the sensing layer, discusses some of the assumptions aforementioned and defines some characteristics and requirements of the CPS necessary to standardize some processes. It also proposes the development of a platform for sensor networks on Cyber-Physical Systems, a service-oriented middleware capable of adapting the limitations and needs presented later in a use case. As first item: i) The document presents the requirements for these types of systems and approaches relevant definitions. Secondly: ii) It is discussed the layered definition of the CiberSens service-oriented middleware. And third: iii) It is presented the proposal implementation in application-example. From the first item: The CPS are a relatively new field of research, as a result, many aspects need to be defined in order to simplify the understanding of the architecture and implementation. From the second item: The transducer devices have a relevant role on diverse applications used on the fields of home automation and in biomedical applications, the latter with an exponential growth of applications that try to improve the quality of life of patients. In this context, it is necessary a detailed study of the concepts and characteristics that should be considered during the layered design of the management platform for sensor networks in CPS. In the design, the system flexibility should be subject to an easy control and domain by the end user, who will be responsible for the actual functioning of the Cyber-Physical System and the ongoing application. From the third item: In order to eliminate possible errors, identify limitations in the system use by the system actors (user and administrator), and demonstrate the feasibility of the proposal, the modeling and concepts definition are applied in a real case. On this step is performed simultaneously an efficiency evaluation of the protocols capture and abstraction methods in the communication layer, the storage modulus, and the services layer. The evaluation is needed not only to validate the technique and the model used in the CiberSens architecture implementation, but also to determine the reliability the of communication and the effectiveness facing a critical event, validation occurs through the control process formalization, sensing and actuation, with SysML tool.
 
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Data de Publicação
2016-11-09
 
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