Operating Middleware na Timing Guarantees for Heterogeneous Sensor Networks

Abstract

In many distributed contexts, the software infrastructure needs to incorporate data coming from nodes that include computers, wireless computational devices and wireless sensor networks (WSNs). The inclusion of pervasive devices in distributed systems provides flexibility and cost savings when compared to entirely cabled deployments. For example, in real industrial setups there will typically coexist wired sensors, wireless sensor and actuator networks (WSAN) and wired backbone nodes, forming a heterogeneous programmable distributed system. Existing wireless embedded systems for distributed applications are programmed separately from the rest of the network. In this thesis we propose a modular approach to hide heterogeneity and offer a single common configuration and processing component for all nodes of the heterogeneous system. The main contribution consists on a middleware architecture that configures and processes data uniformly over heterogeneous networks. A set of mechanisms are proposed, with a single uniform component to work with heterogeneous distributed systems. This advances the current state-of-the-art in middleware for distributed control systems, by providing a single component that abstracts the underlying differences in all devices such as computers and WSN nodes, using a data stream processing model. Timing related issues must be brought forward when designing such a middleware architecture for heterogeneous distributed control systems. In this line, the thesis also investigates and proposes an approach for planning operations with timing guarantees. Timing guarantees in WSN sub-networks are enforced using real-time algorithms and protocols. In what concerns network protocols, pre-planned synchronous time-division algorithms are frequently used to enforce timing. But at the same time, operations timing requirements must be met over the whole heterogeneous system, regardless of what protocols and software is running in each part. We discuss how to plan monitoring and closed-loop operations with restricted time boundaries in the distributed heterogeneous system. The mechanisms and approaches proposed in the thesis were successfully applied in an embodiment of the concept, as middleware component in an industrial refinery setting within EU project GINSENG, and all components were evaluated.

Em muitos contextos distribuídos, a infra-estrutura de software necessita incorporar dados provenientes de nós que podem ser computadores ou sistemas embebidos sem fios. A inclusão de dispositivos embebidos sem fios em sistemas distribuídos oferece flexibilidade e economia de custos quando comparado com implementações totalmente cabladas. Por exemplo, numa instalação industrial real podem existir sensores com fios, sensores sem fios e computadores cablados, formando um sistema programável heterogéneo distribuído. As soluções actuais de desenvolvimento de sistemas distribuídos com sistemas embebidos são concebidas em separado, onde é necessário programar cada parte com código específico. No entanto, esta abordagem acarreta problemas no contexto de aplicações interactivas (por exemplo, (re)configuração de controlo de malha fechada, em qualquer parte da rede), em que a rede deve ser vista como um sistema heterogéneo único distribuído, oferecendo uma maior uniformidade, simplicidade e flexibilidade. Nesta tese é proposta uma abordagem modular para desenhar esses sistemas distribuídos com dispositivos heterogéneos. Propõe-se um conjunto de mecanismos e uma arquitectura de middleware capaz de lidar com as diferenças de hardware e software provenientes das características dos nós. Ao mesmo tempo é requerido um interface único de configuração para todos os nós (computadores ou sistemas embebidos). Isso avança o estado-da-arte em abordagens de middleware para sistemas distribuídos com dispositivos embebidos, porque oferece um único componente de middleware que abstrai as diferenças subjacentes aos dispositivos e permite configura-los da mesma forma, utilizando um modelo de fluxo de dados e processamento. Outra questão que surge relativamente à concepção de um sistema distribuído com dispositivos embebidos prende-se com o desempenho resultante de todo sistema. Surge então a questão se é possível oferecer garantias de tempos de operação dentro de toda a rede. Nesta tese também é proposta uma abordagem para planeamento de garantias de tempo sobre o sistema heterogéneo distribuído compreendendo todas as partes. Os mecanismos e abordagens propostas nesta tese foram aplicados com sucesso no conceito de componente de middleware no âmbito do projecto Europeu GINSENG que tinha como cenário de aplicação parte da rede de sensores existente na refinaria da Petrogal em Sines, Portugal.