• Energy Research
• Open Access close

Abstract: Cyber-physical systems (CPSs) consist of complex systems that use an embedded computing system, typically network connected, to control an electro-mechanical device. An Unmanned Aerial Vehicle (UAV) is a typical example of a CPS. In this paper authors present a model-driven design method devoted for the development of UAVs. Such method should be used by a multidisciplinary team composed of experts in aeronautics, mechanics, electronics, control systems, and embedded computer systems. The proposed method is highly inspired in integrated product design methods typically used by mechanical engineers. However, the proposal presented in this paper can be seeing as a kind of specialization of such methods, as it relies on model-driven engineering and focuses on a specific product (UAVs). The design of UAVs requires detailing it is aeronautical aspects, the related control system, and the required embedded electronics.

The adoption of dense wireless sensor networks in industrial plants is mandatorily paired with the development of methods and tools for connectivity prediction. These are needed to certify the quality (or reliability) of the network information flow in industrial scenarios which are typically characterized by harsh propagation conditions. Connectivity prediction must account for the possible coexistence of heterogeneous radio-access technologies, as part of the Industrial Internet of Things (IIoT) paradigm, and easily allow postlayout validation steps. The goal of this paper is to provide a practical evaluation of relevant coexistence problems that may occur between industrial networks employing standards such as WirelessHART IEC 62591, IEEE 802.15.4, and IEEE 802.11. A number of coexistence scenarios are experimentally tested using different radio platforms. For each case, experimental results are analyzed to assess tolerable interference levels and sensitivity thresholds for different configurations of channel overlapping. Finally, the problem of over-the-air spectrum sensing is investigated in real scenarios with heterogeneous industrial networks to enable a cognitive resource allocation that avoids intolerable interference conditions.

La adopción generalizada de sistemas inalámbricos para la automatización industrial exige el desarrollo de herramientas eficientes para la planificación virtual de los despliegues de red de manera similar a como se hace para los sistemas de bus de campo y cableados convencionales. En sitios industriales, la propagación de la señal de radio está sujeta a bloqueos debido a estructuras metálicas altamente densas. Por lo tanto, la planificación de la red debe tener en cuenta el número y la densidad de las obstrucciones 3D que rodean cada enlace. En este documento abordamos el problema del despliegue de nodos inalámbricos en redes industriales inalámbricas, con especial atención a los estándares WirelessHART IEC 62591 e ISA SP100 IEC 62734. El objetivo es optimizar la conectividad de la red y desarrollar una herramienta efectiva que pueda funcionar en sitios industriales complejos caracterizados por obstrucciones severas. El enfoque de implementación de nodos propuesto se valida a través de un estudio de caso en un entorno de refinería de petróleo. Incluye un entorno de simulación ad-hoc (herramienta RFSim) que implementa el enfoque de planificación de red propuesto utilizando modelos 2D de la planta, proporcionando información de conectividad basada en configuraciones de implementación definidas por el usuario. Los resultados de la simulación obtenidos utilizando el entorno de simulación propuesto se validaron mediante mediciones in situ. L'adoption généralisée des systèmes sans fil pour l'automatisation industrielle nécessite le développement d'outils efficaces pour la planification virtuelle des déploiements de réseaux, de la même manière que pour les systèmes conventionnels de bus de terrain et câblés. Dans les sites industriels, la propagation du signal radio est soumise à un blocage en raison de structures métalliques très denses. La planification du réseau doit donc tenir compte du nombre et de la densité des obstructions 3D entourant chaque lien. Dans cet article, nous abordons le problème du déploiement de nœuds sans fil dans les réseaux industriels sans fil, avec un accent particulier sur les normes WirelessHART IEC 62591 et ISA SP100 IEC 62734. L'objectif est d'optimiser la connectivité du réseau et de développer un outil efficace pouvant fonctionner sur des sites industriels complexes caractérisés par de graves obstructions. L'approche de déploiement de nœuds proposée est validée par une étude de cas dans un environnement de raffinerie de pétrole. Il comprend un environnement de simulation ad hoc (outil RFSim) qui met en œuvre l'approche de planification de réseau proposée à l'aide de modèles 2D de l'usine, fournissant des informations de connectivité basées sur des configurations de déploiement définies par l'utilisateur. Les résultats de simulation obtenus à l'aide de l'environnement de simulation proposé ont été validés par des mesures sur site. The widespread adoption of wireless systems for industrial automation calls for the development of efficient tools for virtual planning of network deployments similarly as done for conventional Fieldbus and wired systems. In industrial sites the radio signal propagation is subject to blockage due to highly dense metallic structures. Network planning should therefore account for the number and the density of the 3D obstructions surrounding each link. In this paper we address the problem of wireless node deployment in wireless industrial networks, with special focus on WirelessHART IEC 62591 and ISA SP100 IEC 62734 standards. The goal is to optimize the network connectivity and develop an effective tool that can work in complex industrial sites characterized by severe obstructions. The proposed node deployment approach is validated through a case study in an oil refinery environment. It includes an ad-hoc simulation environment (RFSim tool) that implements the proposed network planning approach using 2D models of the plant, providing connectivity information based on user-defined deployment configurations. Simulation results obtained using the proposed simulation environment were validated by on-site measurements. يتطلب الاعتماد الواسع النطاق للأنظمة اللاسلكية للأتمتة الصناعية تطوير أدوات فعالة للتخطيط الافتراضي لعمليات نشر الشبكة على غرار ما حدث للأنظمة الميدانية والسلكية التقليدية. في المواقع الصناعية، يخضع انتشار الإشارة الراديوية للانسداد بسبب الهياكل المعدنية عالية الكثافة. لذلك يجب أن يراعي تخطيط الشبكة عدد وكثافة العوائق ثلاثية الأبعاد المحيطة بكل رابط. في هذه الورقة نتناول مشكلة نشر العقدة اللاسلكية في الشبكات الصناعية اللاسلكية، مع التركيز بشكل خاص على معايير WirelessHART IEC 62591 و ISA SP100 IEC 62734. الهدف هو تحسين اتصال الشبكة وتطوير أداة فعالة يمكن أن تعمل في المواقع الصناعية المعقدة التي تتميز بعوائق شديدة. يتم التحقق من صحة نهج نشر العقدة المقترح من خلال دراسة حالة في بيئة مصفاة النفط. ويشمل ذلك بيئة محاكاة مخصصة (أداة RFSim) التي تنفذ نهج تخطيط الشبكة المقترح باستخدام نماذج ثنائية الأبعاد للمصنع، مما يوفر معلومات الاتصال بناءً على تكوينات النشر المحددة من قبل المستخدم. تم التحقق من صحة نتائج المحاكاة التي تم الحصول عليها باستخدام بيئة المحاكاة المقترحة من خلال القياسات في الموقع.

AbstractCyber-PhysicalSystems(CPS)are characterizedbyan intensive interaction betweenits electro-mechanicaldevicesand the embedded computer system. In such systems, having knowledge of the battery lifetime is crucial, since power failures can render the system inoperable. In order to help systems designers to handle such issue, this paper presents an approach that aims to monitor the system energy consumption and to estimate its battery lifetime. The developed approachisbasedonthe characterizationoftheexternal peripheralsoftheCPS,whichare correlatedwiththe operational modes of the embedded software. The novelty of this proposal is the capacity to express the energy consumption by using a mathematical model, without needing additional instruments, electronics or transducers. To illustrate the proposed solution we designed a prototype test bench. Obtained results indicate that the model gives an accurate estimation for the battery lifetime compared to solutions based on the system instrumentation.