Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1822/10664

TitleAutonomic ubiquitous computing : a home environment management system
Author(s)Machado, Carlos Manuel Rodrigues
Advisor(s)Mendes, José A.
Monteiro, João L.
Issue date21-May-2010
Abstract(s)The Ubiquitous Computing and Autonomic Computing reached a point of convergence in which pervasive technology in the environment meets the ability of people to interact with it, making use of all the possibilities made available by this technology. Ubiquitous computing envisions a habitat where the abundance of devices, services and applications allows the physical and virtual worlds to become seamlessly merged. The promise of ubiquitous computing environments is not feasible unless these systems can effectively "disappear". In order to achieve this goal, they need to become autonomic, by managing their own evolution and configuration with minimal user intervention. It is in this context that aspects like self-configuration and self-healing from the autonomic computing concept were adopted in this project. The context awareness and the creation of applications which use that context are the core concern of Ubiquitous Computing Systems and represent the fundamentals for autonomic actions in this type of systems. Such research raises questions on context acquisition, distribution and manipulation, as well as on artificial intelligence algorithms that decide autonomic actions in the environment, having implications in the human interaction with Autonomic Ubiquitous Systems. The research presented in this thesis concentrates on some of those issues. During this project it was developed an experimental setup for context acquisition, in an effortless way, of some activities of a small group of users. This experimental setup was installed in a real home where a young family, a couple and a small child, were actually living. This experimental setup was mainly responsible for the control of the light system of the house, by a network of several inter-connected devices scattered in the home with limited resources. This prototype installation allowed the validation of the system ability, to capture daily life behaviour patterns of the inhabitants. The system architecture was designed based on the concept of a high level and a low level autonomic management system taking from nature the model of the human reflex arc. A reflexive behaviour is managed at a local level by the small devices, with limited resources, high level management is responsible for processing and analysis of the events broadcast by the group of small devices, and run in a centralized mode in a PC. The concept of device information broadcast, to the communication medium, as events was used as an approach to: inter-connect future systems, monitor correct operation of the system devices, capture raw data for estimation of context; allow the visualization of system feedback in user interface devices. Finally, an algorithm using artificial neural networks in combination with simple statistics was developed which allowed the house to learn the routines of its inhabitants, making it truly intelligent by embedding the knowledge about patterns of activities of the users in the devices scattered in the environment, increasing their comfort and, at same time, leading to more energy efficiency. The analysis of the data captured, during two complete years, shows that the reduction of power consumption could be as high as 50%, depending on the profile of the usage of the light.
A Computação Ubíqua e a Computação Autónoma atingiram um ponto de convergência no qual a tecnologia dispersa nos ambientes, juntamente com a capacidade das pessoas interagirem, permite tirar partido do seu uso para novas potencialidades. A computação ubíqua vislumbra habitats repletos de dispositivos, serviços e aplicações que permitem a união perfeita do mundo real com o mundo virtual, mas de uma forma natural. A promessa da criação de tais ambientes de computação ubíqua não se tornará possível sem que a complexidade destes sistemas “desapareçam” efectivamente da percepção dos utilizadores. Para que isso seja possível, estes necessitam de ser autónomos, gerindo a sua própria evolução e configuração com o mínimo de intervenção do utilizador. É neste contexto que a noção de Sistemas Ubíquos Autónomos envolvendo as facetas de auto-configuração e auto-reparação derivadas do conceito da computação autónoma, será usada nesta tese. A percepção do contexto e a criação de aplicações que o usam são as principais preocupações na investigação dos Sistemas de Computação Ubíqua, constituindo também a base para as acções autónomas neste tipo de sistemas. Essa investigação levanta questões sobre a forma como o contexto é capturado, distribuído e manipulado. Por outro lado, provoca impacto nos algoritmos de inteligência artificial que efectuam as decisões de acções autónomas no ambiente, afectando consequentemente a interacção humana com os Sistemas Ubíquos Autónomos. A investigação apresentada nesta dissertação concentra-se efectivamente em alguns destes aspectos. Durante a tese foi desenvolvido um sistema experimental com o objectivo de capturar o contexto, de uma forma perceptível, das actividades de um pequeno grupo de utilizadores. Este sistema experimental foi instalado numa casa real, onde vive uma jovem família constituída por uma casal e uma pequena criança. O sistema experimental era responsável por controlar toda a iluminação eléctrica da casa, através de um conjunto de dispositivos, com recursos limitados, conectados em rede e espalhados pela casa. A instalação permitiu validar a capacidade do sistema de capturar os padrões de comportamento quotidiano dos habitantes da casa. A arquitectura do sistema foi projectada baseando-se no conceito de alto-nível e baixo-nivel dos sistemas de gestão autónoma, inspirando-se no modelo dos processos que ocorrem num acto reflexo no corpo humano. As acções de reflexo ou acções básicas são geridas pelo baixo-nivel nos pequenos dispositivos e com recursos limitados, e quanto o gestão de alto-nivel é responsável pelo processamento e analise dos eventos disponíveis no barramento de dados da rede dos pequenos dispositivos. Foi também usado o conceito da difusão (broadcast) da informação, para o barramento de dados, na forma de eventos para permitir: a interligação com sistema futuros, monitorização do correcto funcionamento do sistema, captura da informação para posterior determinação do contexto; e por fim permitir a visualização do estado do sistema na interface com os utilizadores. Por último, foi desenvolvido um algoritmo usando redes neuronais artificiais e em combinação com estatística básica que permite aprender, de uma forma autónoma, as rotinas dos habitantes em casa, conferindo a esta um ambiente inteligente. Desta forma, a casa contém o conhecimento dos padrões quotidianos dos habitantes, aumentando consequentemente o seu conforto e ao mesmo tempo, permitindo melhor eficiência energética. As análises dos dados capturados, durante dois anos completos, mostram que a redução no consumo energético pode chegar os 50%, dependendo do perfil de uso da iluminação.
TypeDoctoral thesis
DescriptionTese de doutoramento em Electrónica Industrial (ramo do conhecimento Informática Industrial)
URIhttp://hdl.handle.net/1822/10664
AccessOpen access
Appears in Collections:BUM - Teses de Doutoramento
DEI - Teses de doutoramento

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