Arquitectura de nodo inteligente para redes de sensores inalámbricas y escalables: aplicaciones en monitorización ambiental

UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA TESIS DOCTORAL ARQUITECTURA DE NODO INTELIGENTE PARA REDES DE SENSORES INALÁMBRICAS Y ESCALABLES: APLICACIONES EN MONITORIZACIÓN AMBIENTAL Autor: JEAN ANDRÉ GUEVARA ROSAS Directores: FEDERICO JOSÉ BARRERO GARCÍA ENRIQUE VARGAS CABRAL Trabajo presentado como requisito para la obtención del grado de Doctor en Electrónica, Tratamiento de Señal y Comunicaciones Sevilla, 2015 AGRADECIMIENTOS Quiero expresar mi más profunda gratitud al Dr. Enrique Vargas, con quien he tenido la distinción de trabajar por varios años, al Dr. Federico Barrero, por su invalorable ayuda, sin la cual no hubiese sido posible la realización de este trabajo. Además de ser excelentes profesionales, sus guias como persona permitió que el desarrollo de este trabajo sea muy grato. También, mi reconocimiento al Dr. Sergio Toral, de la Universidad de Sevilla, al Dr. Vicente González y a todo el plantel de profesores de la Universidad Católica Nuestra Señora de la Asunción, por toda la formación profesional y de valores que he recibido durante mis años de estudiante. Y por haber hecho de nexo con las autoridades acadámicas de la Universidad de Sevilla. Además un agradecimiento especial a la Universidad de Sevilla y a la Agencia Española de Cooperación Internacional para el Desarrollo (AECID), por el soporte económico proveído a través del Programa de Cooperación Interuniversitaria con Iberoamérica, bajo la referencia PCI-D/7596/07. Sin su ayuda económica, no hubiera sido posible la realización de este trabajo. Asimismo, un recuerdo muy especial a mis amigos, quienes siempre estuvieron a mi lado. Y a mis compañeros y amigos del LED, con quienes compartí infinidad de anécdotas y que permiten que cada día sea más que ameno el ir a trabajar. A Christian y Edgar, que son como mi familia, creo que hemos llegado más lejos de lo que hubiamos pensado. A mi querida Lili, quien estuvo conmigo durante todo el desarrollo de este trabajo. En las buenas y malas siempre estuviste a mi lado. Sepan que este logro es también de ustedes. Finalmente, quiero agradecer al Parque Tecnológico Industrial (PTI) Margen Derecha de Itaipú Binacional, República del Paraguay. DEDICADO A: A mis Padres: Jorge y Ana A mi Hermano: Jorge A mi Amada: Lili Jean André Guevara IIt’s late - It’s late - It’s late But not too late Índice Índice i Lista de Figuras iii Lista de Tablas v I Generalidades 1 1 Introducción 3 1.1 Consideraciones preliminares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.2 Motivación .................................... 4 1.3 Objetivos ..................................... 5 1.4 Organización del documento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2 Nodos sensores en Redes Inalámbricas: Evolución y estado actual 9 2.1 Reseña de las plataformas de nodos en las Redes de Sensores Inalámbricas . . . 9 2.2 Arquitectura de los nodos sensoriales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.2.1 Firmware e interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.3 Sensoresinteligentes ............................... 20 2.3.1 La norma ISO/IEC/IEEE 21451x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.3.2 Trabajos de investigación que implementan la norma ISO/IEC/IEEE 21451x .................................. 23 2.4 Nodos sensores reconfigurables en redes de sensores . . . . . . . . . . . . . . 28 2.5 Conclusiones ................................... 31 i Índice II Análisis de Contenido 33 3 Discusión de las Aportaciones 35 3.1 Arquitectura del Framework para redes de sensores escalables . . . . . . . . . 36 3.2 La norma ISO/IEC/IEEE 21451x como fundamento del Framework . . . . . . 40 3.2.1 Implementación del nodo en una arquitectura empotrada . . . . . . . . 40 3.2.2 Implementación del nodo basado en el Tiny OS . . . . . . . . . . . . . 41 3.2.3 Aplicaciones del Framework propuesto en sistemas ITS . . . . . . . . 43 3.2.4 Aplicaciones del Framework propuesto para el monitoreo de reservas naturales ................................. 45 3.3 Reconfigurabilidad de los nodos sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.3.1 La flexibilidad de la norma ISO/IEC/IEEE 21451.x . . . . . . . . . . . 50 3.3.2 TEDS propuesto para gestionar la reconfiguración basado en el ISO/IEC/IEEE21451x.......................... 51 3.3.3 Implementación del nodo sensor reconfigurable utilizando el PSOC 5 . 53 3.4 Conclusiones ................................... 56 4 Principales aportaciones y lineas futuras de investigación 59 4.1 Principales aportaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 4.2 Líneas futuras de investigación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 Bibliografía 63 III Publicaciones 75 1. Environmental Wireless Sensor Network for Road Traffic Applications 77 2. Open Architecture for WSN based on Runtime Reconfigurable Systems and the IEEE 1451 95 3. Networked Smart Transducers in Intelligent Transportation Systems based on IEEE 1451 Standard 107 4. Dynamically Reconfigurable WSN Node Based on IEEE 1451 TEDS 135 ii Lista de Figuras 2.1 Algunas aplicaciones de las WSN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.2 (a) Plataforma TelosB, (b) plataforma Mica Z. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.3 Nodo sensor Imote2, desarrollado por Intel [20]. . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.4 Vista del Waspmote y de la placa de sensores para agricultura de precisión. . . 14 2.5 Subsistemas que componen un nodo sensor, Akylidiz [10]. . . . . . . . . . . . 15 2.6 Modelo en capas y prototipo propuesto por Portilla, en [25]. . . . . . . . . . . 17 2.7 Plataforma de nodo reconfigurable propuesta, en [26]. . . . . . . . . . . . . . . 18 2.8 Arquitectura básica de un sensor inteligente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.9 Arquitectura de la norma ISO/IEC/IEEE 21451x. . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.10 Controlador de protocolo implementado en FPGA, propuesto por [74]. . . . . . 28 2.11 Arquitectura parcialmente reconfigurable propuesta en [88]. . . . . . . . . . . 29 2.12 Arquitectura FPGA + FPAA propuesta (Morales [86]) . . . . . . . . . . . . . . 30 2.13 Diagrama en bloque de la arquitectura propuesta en [92]. . . . . . . . . . . . . 31 2.14 Diagrama en bloques propuesto en Mattoli [93]. . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.1 Representación de los objetivos del Framework como intersección de las variablesinvolucradas. .............................. 38 3.2 Objetivos definidos en el TIM y NCAP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.3 Framework Implementado en arquitectura PSoC 1. . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.4 Implementación de la norma ISO/IEC/IEEE 21451.0 en el TinyOS. . . . . . . . 42 3.5 Interfaces requeridas para comunicarse con el componente del protocolo de ruteo. 43 3.6 Red de sensores implementada en unidades del transporte público e implementada en la ciudad de Asunción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 iii 1.3. Objetivos redes inalámbricas, como bajo consumo de energía, capacidad de memoria y capacidad de procesamiento. Además, el estándar no contempla las arquitecturas reconfigurables, las cuales pueden ser muy útiles dada la diversidad de posibles aplicaciones de las redes de sensores inalámbricas. Es necesario, por lo tanto, consolidar el uso de un Framework para las arquitecturas de nodos sensoriales inalámbricas que contemple la heterogeneidad de los transductores y la inclusión de arquitecturas reconfigurables en los nodos sensores. La principal motivación de esta Tesis es el desarrollo de ese Framework y su utilización en el área de las arquitecturas de nodos para redes de sensores inalámbricas. 1.3 OBJETIVOS Los objetivos generales en los que se centra la Tesis se pueden enumerar en los siguientes puntos: • Efectuar una profunda revisión bibliográfica del estado del arte de la arquitectura de los nodos en redes de sensores inalámbricas, identificando sus ventajas e inconvenientes. • Diseñar un Framework para el diseño de arquitecturas escalables de nodos para redes inalámbricas, e implementar dicho Framework. • Proponer una estandarización en el diseño y manejo de nodos reconfigurables para redes de sensores inalámbricas. En concreto se propone la modificación del datasheet electrónico definido por el estándar ISO/IEC/IEEE 214510 para la administración de nodos sensores reconfigurables. • Finalmente, comprobar experimentalmente el funcionamiento de la arquitectura propuesta a fin de obtener métricas de rendimiento. 1.4 ORGANIZACIÓN DEL DOCUMENTO El documento se ha organizado en tres partes, que responden a la estructura definida por la Normativa Reguladora del Régimen de Tesis Doctoral vigente de la Universidad de Sevilla, en cumplimiento con el Real Decreto 99/2011 (BOE 10 de febrero de 2011) que establece: “Podrán presentarse para su evaluación como Tesis doctoral un conjunto de trabajos publicados por el 5 1. Introducción doctorando (...) Además de las publicaciones, la Tesis doctoral deberá incluir necesariamente: introducción en la que se justifique la unidad temática de la Tesis, objetivos a alcanzar, un resumen global de los resultados, la discusión de estos resultados y las conclusiones finales...” En la primera parte se detallan las generalidades del trabajo. Se realiza una presentación del mismo, sus motivaciones y los objetivos que se desean cumplir (Capitulo 1). Posteriormente se describe el estado del arte en el área de las redes de sensores inalámbricas. Se introduce el concepto de sensor inteligente definido en el estándar ISO/IEC/IEEE 21451-x y se realiza una revisión de las arquitecturas reconfigurables utilizadas en las redes de sensores inalámbricas (Capitulo 2). En la segunda parte se discuten los resultados obtenidos durante este trabajo de investigación (Capitulo 3). En primer lugar se propone un Framework escalable que permita el manejo de sensores heterogéneos y de diversas interfaces, basado en el estándar ISO/IEC/IEEE 21451-x, como base para una arquitectura de nodo escalable. Se presenta la aplicación de esta arquitectura en sistemas ITS y su posterior adaptación para una red inalámbrica de monitorización de variables medio-ambientales. Posteriormente se describe la modificación de la arquitectura propuesta para el manejo de dispositivos reconfigurables, su aplicación en redes de sensores de monitorización ambiental y otros tipos de sensores inteligentes. Además, se presenta como aporte la utilización del datasheet electrónico (TEDS, por sus siglas en inglés) definido por el estándar ISO/IEC/IEEE 21451-x como herramienta para estandarizar el proceso de reconfiguración en los nodos de las redes de sensores inalámbricas. Por último se presentan las conclusiones y futuras líneas de investigación a desarrollar a partir de esta Tesis (Capitulo 4). La tercera y última parte del documento se compone de los principales trabajos de investigación publicados relacionados con la Tesis. Esta parte está conformada por cuatro artículos que presentan ideas originales y han sido publicados en revistas internacionales de reconocido prestigio (tres de ellos) y/o congresos internacionales de interés en el área (uno de los artículos presentados). Los dos primeros se centran en la definición del Framework basado en el estándar ISO/IEC/IEEE 21451-x (Artículo 1) y en su utilización en la monitorización de variables medioambientales (Artículo 2). Los dos siguientes plantean la utilización de arquitecturas reconfigurables en los nodos de redes inalámbricas de sensores. El primero (Artículo 3) plantea la utilización de una arquitectura basada en un sistema en chip para el acondicionamiento de los transductores. Finalmente, el cuarto artículo presenta una 6 1.4. Organización del documento modificación del datasheet electrónico definido por el estándar ISO/IEC/IEEE 214510 para que contemple el manejo de arquitecturas reconfigurables, y así poder estandarizar el proceso reconfiguración de nodos en las redes de sensores inalámbricas. 7 Capítulo 2 NODOS SENSORES EN REDES INALÁMBRICAS: EVOLUCIÓN Y ESTADO ACTUAL La literatura examinada en este capítulo está orientada a presentar el estado actual del desarrollo de los nodos en redes de sensores, en especial de nodos de redes de sensores inalámbricas. Se analizan las tecnologías más recientes en el área de la investigación y de las aplicaciones industriales, con el fin de establecer un marco teórico que ratifique la relevancia de los aportes presentados en este trabajo. Más específicamente, se describen diversos trabajos que implementan nodos sensores inteligentes basados en la norma ISO/IEC/IEEE 21451x, así como arquitecturas de nodos con capacidades de reconfiguración. 2.1 RESEÑA DE LAS PLATAFORMAS DE NODOS EN LAS REDES DE SENSORES INALÁMBRICAS En los los últimos 25 años, las redes de sensores han sido utilizadas en diversas áreas de aplicación tales como la industria, el monitoreo de estructuras, el cuidado de la salud, los sistemas de transporte inteligentes, entre otras (Figura 2.1) [7–9]. Considerando medio de comunicación, las redes de sensores pueden ser clasificadas en redes de sensores cableadas y redes de sensores inalámbricas (Wireless Sensor Network, WSN). Durante la última década, las redes de sensores inalámbricas han sido ampliamente utilizadas y su desarrollo es el centro de varias investigaciones [10]. Cabe señalar que en el campo de las WSN, se vienen 9 2. Nodos sensores en Redes Inalámbricas: Evolución y estado actual Fig. 2.1: Algunas aplicaciones de las WSN. realizando trabajos de investigación principalmente en tres diferentes áreas: (1) topologías de red y protocolos de comunicación, (2) implementación de nuevas soluciones hardware (HW) y (3) propuesta de nuevas herramientas para el diseño de WSN. Aparentemente, estas líneas de investigación no tienen nada en común. Sin embargo, la meta principal que se persigue es que los nodos sensores (comúnmente llamados motes) tengan un bajo consumo de energía (con una elevada autonomía), un tamaño reducido y, bajo coste de implementación. Estas características requieren de optimizaciones en cada una de las áreas mencionadas anteriormente con un enfoque sistémico de manera a plantear soluciones tendientes a lograr el objetivo planteado. A pesar de su rápido desarrollo, las redes de sensores siguen siendo una tecnología emergente. Prueba de ello, es que aún no se ha conseguido la ubiquidad de las mismas, ni que éstas cumplan con los objetivos de autonomía y bajo coste. Numerosas líneas de investigación acerca de las redes de sensores han sido llevadas a cabo durante la última década, mientras que algunas de estas investigaciones guardan similitudes con la plataforma de nodo presentada en este trabajo de Tesis, otras se centran en filosofías totalmente distintas. En este apartado solo haremos referencia a las que consideramos más significativas para el estado del arte. En la actualidad, existe una gran diversidad de plataformas de nodos sensores que están específicamente diseñadas para las aplicaciones donde serán desplegadas. Estos nodos, comúnmente llamados motes (nombre que procede del inglés, cuyo significado es polvo). Esta denominación fue usada por primera vez en el proyecto Smartdust [11], concebido en 1998 con la intención de desarrollar nodos sensores de tamaño muy pequeño (en torno a 1mm3) que en conjunto formarían un polvo inteligente (smart dust), esto permitiría estudiar el entorno y monitorear las variables deseadas. Puede afirmarse, que este trabajo fue el que definió el concepto actual de las redes de sensores inalámbricas. 10 2.1. Reseña de las plataformas de nodos en las Redes de Sensores Inalámbricas Fig. 2.2: (a) Plataforma TelosB, (b) plataforma Mica Z. Las plataformas Mica [12] y sus variantes como el TelosB [13] (Figura 2.2), pueden ser consideradas como las plataformas de mayor impacto en la historia de las redes de sensores inalámbricas. Han sido utilizadas en cientos de investigaciones y en varias aplicaciones. La característica fundamental que convierte a este tipo de plataformas como el estándar de-facto en las WSNs, es su modularidad a nivel de sensores. Las diversas versiones de Mica, (Mica, Mica2, Micaz, TelosB), presentan similares circuitos de procesamiento y comunicaciones, además permiten el desarrollo de nuevos circuitos para nuevas aplicaciones con diferentes sensores. Las características citadas anteriormente, han logrado que estas plataformas sean utilizadas en diversos trabajos de investigación [14–16]. Las plataformas derivadas del Mica, están basadas en microcontroladores de muy bajo consumo como el Atmega 128, el cual se encarga de manejar los procesos de comunicación, medición y procesamiento de datos. Estos microcontroladores poseen recursos limitados de memoria y de interfaces de comunicación. Lo cual limita su utilización en aplicaciones que requieren de un nivel de procesamiento mayor. Sin embargo, estas plataformas poseen una autonomía considerable por lo que suelen ser implementadas en redes que requieren un bajo consumo de energía o que funcionen a base de fuentes de energía renovables. Dado que incluyen un procesador como centro del sistema, finalmente será un programa el que establecerá las tareas que cada nodo debe llevar a cabo, además de servir como la interfaz con el programador. Posiblemente el alto grado de aceptación de estas plataformas se deba a que además de plantear una arquitectura sencilla, puede ser manipulada a través de un sistema operativo llamado TinyOS, el cual permite un alto grado de abstracción del hardware [12]. Esta abstracción, facilita el desarrollo de las investigaciones en las cuales se quiere implementar nuevos protocolos o algoritmos. Esto evita que el programador deba tratar directamente con el hardware del nodo. Normalmente, la programación de los microcontroladores en los nodos se realiza directamente a través de un cable. Sin embargo, estas plataformas permiten su reprogramación 11 2. Nodos sensores en Redes Inalámbricas: Evolución y estado actual a distancia aun estando en funcionamiento, por medio de un co-procesador [17]. Cabe mencionar, que incluso con el desarrollo de protocolos especialmente diseñados para realizar la reprogramación a distancia de los nodos, este procedimiento no es normalmente utilizado, ya que la transferencia del firmware del nodo a través de una red inalámbrica con baja tasa de transmisión presenta varios inconvenientes. Destacar además, que varias plataformas de nodos han sido desarrolladas a partir de la arquitectura del Mica como por ejemplo Iris, Lotus, Tmote Sky y el TelosB. La mayor diferencia entre estas plataformas, es el microcontrolador utilizado, además de aumentar en el caso de Lotus, las interfaces y la modularidad de la plataforma. La empresa MEMSIC [18] actualmente comercializa cinco plataformas de nodos inalámbricos (Tabla 2.1), la mayoría de estas plataformas son utilizadas con fines educacionales, de investigación y desarrollo. Tabla 2.1: Plataformas de nodos sensores. Plataforma WSN Aplicación Radio Frecuencia Tasa de Datos Kbps MICA Educacional 2.4 - 2.48 GHz 38.4 / 250 Kbits/s LOTUS Monitoreo Industrial 2.4GHZ ISM 250Kbits/s TelosB R & D 2.4 - 2.48 GHz ISM 250Kbits/s IRIS Edición OEM 2.4GHZ ISM 250Kbits/s La plataforma Intel Mote [19] y su actualización la Intel Mote 2 [20], representan otra clase de plataformas de nodos sensores muy utilizados actualmente (Figura 2.3). A diferencia de las plataformas basadas en el Mica, están diseñadas para aplicaciones con una alta demanda de procesamiento, dejando de lado el bajo consumo de energía. Para ello, integran un dispositivo del tipo DSP, el cual puede realizar el procesamiento de las señales liberando al microcontrolador de esta tarea. Además, esta plataforma presenta una modularidad mayor a la de las plataformas Mica, permitiendo el diseño de capas de manera a ampliar sus recursos. Por ejemplo, sus interfaces permiten no solo la implementación de nuevas capas con sensores o actuadores, sino también la implementación de capas de fuentes de energía. Esta filosofía de modularidad ha sido implementada con éxito en diversas plataformas de investigación y comerciales. Como ejemplo importante podemos citar la plataforma Waspmote de la empresa Libelium [21]. Waspmote es una plataforma desarrollada por la empresa española Libelium (Figura 2.4), esta plataforma comercial es actualmente utilizada en más de 50 diversas 12 2.1. Reseña de las plataformas de nodos en las Redes de Sensores Inalámbricas Fig. 2.3: Nodo sensor Imote2, desarrollado por Intel [20]. aplicaciones, que van desde la agricultura de precisión, la domótica, ciudades inteligentes, monitoreo del agua, entre otras. El Waspmote, consiste en una plataforma de nodo sensor que permite integrar distintos tipos de transductores para el monitoreo de diversas variables. Los datos adquiridos pueden ser enviados inalámbricamente a kilómetros de distancia usando el protocolo ZigBee, Wi-Fi o ser almacenados en el propio dispositivo. Además, es posible intercambiar los transductores que utiliza mediante las diferentes placas de sensores que pueden ser conectadas al dispositivo. Como ejemplo de la variedad de medidas que es posible obtener a partir del Waspmote, citamos la placa de sensores para agricultura de precisión. Con esta placa se pueden monitorear hasta catorce parámetros medioambientales: temperatura y humedad relativa del aire, temperatura de suelo, humedad de suelo, humectación de hoja, presión atmosférica, radiación solar, diámetro de tronco/tallo/fruto, velocidad de viento, dirección de viento y precipitación. Libelium es una de las empresas de mayor crecimiento en los últimos años en el área de redes de sensores inalámbricas. La plataforma Waspmote también permite la programación OTAP (Over the Air Programming) del nodo sensor, esta tecnología ha sido estudiada en diversas publicaciones [22, 23]. Sin embargo, su utilización no es muy extendida debido a los problemas inherentes de transmitir el código en una red con una baja tasa de transmisión de datos, como suele ser el caso en las WSNs. Empresas como Crossbow o Libelium son algunos ejemplos de empresas que venden nodos orientados adiversas aplicaciones, cada uno con un enfoque particular, tanto en lo relativo al software (SW) como al hardware (HW). Sin embargo, la tendencia actual es 13 2. Nodos sensores en Redes Inalámbricas: Evolución y estado actual Fig. 2.4: Vista del Waspmote y de la placa de sensores para agricultura de precisión. que las arquitecturas de los nodos incorporen algún tipo de modularidad o flexibilidad ya sea HW o SW. 2.2 ARQUITECTURA DE LOS NODOS SENSORIALES Como ha sido mencionado, los nodos sensores son la pieza básica de una WSN. Se trata de dispositivos capaces de realizar medidas sobre un determinado fenómeno y propagarlas vía radio. Disponen de capacidad de procesamiento y comunicación inalámbrica así como de expansión a través de puertos de entrada/salida de su microprocesador. Usualmente un nodo sensor está conformado por los bloques hardware que se muestran en la Figura 2.5 [10]. Son cuatro los bloques que siempre se encuentran presentes en un nodo. El primero de ellos, la unidad de procesamiento, encargada de la coordinación con los otros subsistemas, dirigiendo las tareas de recogida de datos y comunicaciones con otros nodos, así como de procesar los datos. La unidad de sensorización adquiere los datos del entorno a través de sus transductores y transforma las medidas analógicas tomadas en medidas digitales que el microprocesador puede manejar. El transceptor se encarga de las comunicaciones con el resto de nodos. Por último, se encuentra la unidad de alimentación que suministra energía al resto de subsistemas. Considerando estos cuatro sub-sistemas fundamentales en la arquitectura de toda plataforma de nodo, y según la literatura existente, podemos clasificar los nodos según su arquitectura en tres distintos tipos. La primera variedad, estaría compuesta por los nodos de primera generación, como los MicaZ, TelosB y sus variaciones. Como característica de este tipo de arquitectura podemos 14 2.3. Sensores inteligentes Fig. 2.8: Arquitectura básica de un sensor inteligente. flexible y abre las puertas a la adaptabilidad o reconfiguración del mismo. En la Figura 2.8, se puede observar los sub-sistemas básicos que integran la arquitectura de un sensor inteligente. La finalidad de los sensores inteligentes es simplificar la integración del transductor a las diversas aplicaciones del nodo [33–35]. La norma ISO/IEC/IEEE 21451x (antes conocida como norma IEEE 1451) especifica las bases para estandarizar diversos procesos tales como: el monitoreo en tiempo real, la capacidad plug-and-play de los nodos, y las interfaces de comunicación con los transductores. La norma ISO/IEC/IEEE 21451x define dos entidades principales el STIM (Standard Transducer Interface Module) y el NCAP (Network Capable Application Processor) ambas entidades se comunican a través de un TII (Transducer Independent Interface). Además, la norma define el TEDS (Transducer Electronic Data Sheet) como una memoria no volátil empotrada en el sensor inteligente, y que contiene diversos parámetros sobre el sensor como: las variables medidas por el sensor, el rango de medición de las mismas, la curva de calibración del transductor, su identificador único, entre otras variables. Los campos del TEDS están definidos en cada uno de los estándares que integran la norma ISO/IEC/IEEE 21451x. Sin embargo, es posible agregar nuevos campos al TEDS de manera a especificar nuevas variables del sensor. 2.3.1 La norma ISO/IEC/IEEE 21451x La norma ISO/IEC/IEEE 21451x está compuesta por varios estándares ( que están en revisión ), los cuales definen al NCAP, el STIM, el TEDS y las diversas interfaces entre el NCAP y el STIM (Figura 2.9). El Standard ISO/IEC/IEEE 214510 [28] intenta asentar las bases para que futuras familias del estándar ISO/IEC/IEEE 21451x sean compatibles las interfaces definidas en los estándares previos. Esta norma define un conjunto común de comandos, 21 2. Nodos sensores en Redes Inalámbricas: Evolución y estado actual Fig. 2.9: Arquitectura de la norma ISO/IEC/IEEE 21451x. funcionalidades y formatos de TEDS para todos los miembros de la norma que hacen uso de una interfaz digital, ayudando a alcanzar la interoperabilidad a nivel de datos entre sus distintos representantes. Las aplicaciones ISO/IEC/IEEE 21451x pueden acceder a los servicios ISO/IEC/IEEE 214510 a través de la interfaz de servicios de transductores existentes en el NCAP. El estándar ISO/IEC/IEEE 21451-1 fue desarrollado para facilitar la creación de un software modular y portable para transductores. Define un modelo de información neutro, que se compone de un conjunto jerárquico de clases que representan los diferentes bloques de un NCAP. Este modelo es independiente de cualquier hardware, por tanto, debe ser portado a una plataforma especifica para ser usado. El modelo comprende bloques, servicios, componentes, y especifica la interacción con sensores y actuadores. El principal problema de este modelo es su complejidad. A todas estas clases es necesario añadirles el código necesario para acceder a la red y procesar los datos. Como resultado, el código fuente para todo el sistema puede ser excesivamente grande, especialmente si se desea implementarlo en sistemas empotrados. El estándar ISO/IEC/IEEE 21451-2, originalmente definía una conexión patrón entre el TIM y el NCAP a través de un bus de 10 hilos que permitía intercambiar información entre ambas entidades [36]. Una razón clave para normalizar la interfaz a nivel de conexionado de hardware era la necesidad de acabar con los problemas que los fabricantes de transductores se encontraban a la hora de integrar sus productos en distintas redes. La revisión de este 22 2.3. Sensores inteligentes estándar estudia la idea de incluir interfaces más sencillas y comunes como el RS232 o USB. El Standard ISO/IEC/IEEE 21451-4 propone una interfaz de comunicación normalizada para transductores analógicos. El objetivo es compatibilizar los transductores ya existentes en el mercado con el modelo ISO/IEC/IEEE 21451x, centrándose principalmente en añadir la capacidad de almacenar TEDS a estos antiguos sensores. Se define el concepto de transductor de modo mixto, el cual proporciona al mismo tiempo una interfaz analógico y una digital. El interfaz analógico proporciona una señal (tensión, corriente) que representa una magnitud física (temperatura, presión, fuerza, etc.). La interfaz digital se puede utilizar para leer el TEDS y configurar el transductor. El estándar ISO/IEC/IEEE 21451-5 es un estándar que define un conjunto de especificaciones para la comunicación entre el Wireless Transducer Interface Module (WTIM), equivalente al TIM de ISO/IEC/IEEE 21450, y el NCAP. Soporta tecnologías como IEEE 802.15.4, Bluetooth, ZigBee y Wi-Fi, aunque podría adoptar otras tecnologías de ser necesario. Proporciona una descripción de las funciones y protocolos que debe soportar el módulo de comunicación entre WTIM y NCAP. El estándar ISO/IEC/IEEE 21451-7 define una interfaz y un protocolo de comunicación entre transductores y sistemas RFID. Al proporcionar informaciones como la identificación de productos o el seguimiento de su estado, abre nuevas oportunidades tanto para fabricantes de sensores como de sistemas RFID. Luego de haber presentado los estándares que componen la norma ISO/IEC/IEEE 21451x, a continuación, presentaremos diversos trabajos que representan el arte de la norma. Dada la gran variedad de posibles aplicaciones para las redes de sensores, diversas son las áreas donde se ha implementado la norma, tales como la medición de variables medio-ambientales, el control industrial, automatización , transporte inteligente, entre otras [37–40]. 2.3.2 Trabajos de investigación que implementan la norma ISO/IEC/IEEE 21451x En sus inicios el estándar surge de la necesidad de normalizar la comunicación de sensores en diversas aplicaciones, algunas de las investigaciones que dieron inicio al estándar son las siguientes. Una plataforma plug-and-play para redes de sensores inalámbricas se propone en [41]. La plataforma denominada CrossNet, utilizaba la tecnología Bluetooth y el estándar IEEE 1451 para implementar un nodo que podía conectarse a varios sensores y transmitir luego la información adquirida a un dispositivo HUB que estaba conectado a Internet. En 23 2. Nodos sensores en Redes Inalámbricas: Evolución y estado actual [42] se describe el estándar IEEE 1451.4 , especificándose la interfaz de modo mixto (MMI, mixed-mode interface), así como un TEDS rediseñado que contiene datos necesarios para describir un transductor o actuador analógico. La necesidad de un módulo de interfaz estándar para aplicaciones aero-espaciales es presentada en [43]. Se propone el IEEE 1451, como una potencial solución al uso de tecnologías propietarias de alto costo de implementación y mantenimiento. En [44] se presenta una revisión del STIM propuesto en el IEEE 1451.2 y el TEDS definido en ese estándar. En este trabajo se discuten características claves del TEDS, como la representación de unidades físicas, de la señal de disparo de los sensores y actuadores, el modelo de calibración de los mismos, y el manejo de transductores multi-variables y la característica plug-and-play de los sensores. La importancia del uso de recursos abiertos y estándares para la interfaz con transductores o actuadores se presenta en [45]. Este trabajo presenta la implementación del estándar IEEE 1451 utilizando lenguajes de programación como Python y Java. Además, se utilizaron dispositivos programables de bajo costo, e interfaces Ethernet para la comunicación entre la red de sensores y el usuario final. En [46], se presenta un Framework para redes de sensores basado en el estándar IEEE 1451.2. Este modelo orientado a objetos es complementado con una arquitectura de interfaz virtual (VIA) e implementada para la medición en tiempo real de una red de sensores de presión. a- Trabajos en el área de aplicaciones medio-ambientales En relación con las aplicaciones medio-ambientales podemos citar varios trabajos de investigación. El desarrollo de un sistema de bajo costo para el monitoreo de la calidad del aire es presentado en [47]. Este sistema basado en el estándar IEEE 1451.2, es capaz de medir la concentración de gases peligrosos como el SO2, NO2, CO y CO2. La implementación del STIM se realizó en un microcontrolador ADuC 812, mientras que el NCAP se implementó en un ordenador utilizando el lenguaje de programación Visual Basic. La comunicación entre el STIM y el NCAP se realizó a través de una modificación del puerto paralelo del ordenador. La ausencia de interfaces estándares para transductores, en sistemas de monitoreo químico y la dificultad que esto conlleva en la tarea de calibración de los transductores es tratada en [48]. El estándar IEEE 1451.4 se presenta como una posible solución al problema planteado con anterioridad. En el diseño de sistemas de narices electrónicas, existen ciertos problemas los cuales son presentados en [49]. Debido a la gran variedad de transductores, utilizables en la 24 2.3. Sensores inteligentes implementación de narices electrónicas, se plantea que el estándar IEEE 1451 puede ser una herramienta útil en la integración de diversos transductores al sistema. Diversas implementaciones para el monitoreo de la calidad del aire en interiores, se presentan en [2,50,51], estos trabajos plantean la utilización de diversos estándares de la norma ISO/IEC/IEEE 21451x para aplicación de monitoreo de gases. Las arquitecturas presentadas en estos trabajos comparten ciertas características tales como el bajo consumo de energía, bajo coste de implementación y su portabilidad. En [52] y [53], se describen la estructura de un sistema de control con multi-procesadores, para una matriz de sensores de gas, basados en el estándar IEEE 1451. En este trabajo se implementa un STIM cuya interfaz de comunicación TII está basada en un sistema de tres cables RS232 asincrónico. En [54], se presenta el diseño e implementación, de una red de sensores inalámbricas que utiliza el estándar ISO/IEC/IEEE 21451, para el monitoreo de variables medio-ambientales. Una de estas redes es implementada en el zoológico de la hidroeléctrica Itaipu y la otra en el refugio natural Tati-Yupi. En [26] se presenta el diseño de una plataforma móvil para el monitoreo de la calidad del aire utilizando el transporte publico. Esta red de sensores inteligentes basada en el estándar ISO/IEC/IEEE 21451, definía a cada unidad del transporte publico como un WTIM (Wireless TIM), permitiendo así el monitoreo en tiempo real de la calidad del aire en la ciudad de Asunción – Paraguay. Estos trabajos permitieron validar parte del trabajo presentado en esta Tesis. b- Trabajos en el área de aplicaciones de control. Entre los trabajos de control y domótica podemos citar algunos como los presentados en [55]. En el cual se presenta una revisión de buses de comunicación de bajo costo y alta confiabilidad. Varios buses de comunicación existentes como el I2C (comúnmente llamado como “two wire interface”), el SPI (serial peripheral interface) y el TII definido en el estándar IEEE 1451.2 son estudiados en diferentes aplicaciones. En [56], es presentado un módulo STIM de interfaces múltiples (I2M, Multi Interface Module) basados en el estándar para la automatización de procesos industriales. La comunicación del módulo se realiza a través de interfaces alámbricas e inalámbricas por medio de las tecnologías ZigBee y RS232. En [57] se presenta un sistema de control para luces. La implementación de luces inteligentes basadas en el estándar ISO/IEC/IEEE 21451 y utilizando tecnología ZigBee logran un ahorro de energía del 43% en comparación con los sistemas de luces fluorescentes existentes actualmente. Un trabajo similar es presentado en [58]. Este trabajo propone el desarrollo de 25 2. Nodos sensores en Redes Inalámbricas: Evolución y estado actual una infraestructura de oficinas eficiente energéticamente para el Centro Tecnológico de Energía en Polonia. Presenta un complejo sistema domótico el cual es manejado a través del estándar ISO/IEC/IEEE 21451-1. Doyle y otros presentan en [59], una interfaz en tiempo real utilizando el bus CAN (TTCAN, time-triggered controller área network). Esta interfaz se plantea para permitir que la norma IEEE 1451 pueda procesar mensajes en tiempo real. En [60] desarrollan un sistema en tiempo real para el monitoreo y control de aparatos eléctricos de uso doméstico, con el fin de ahorrar energía al consumidor. En [61] se presenta un diseño de plataforma HW y SW basado en la norma IEEE 1451, para ser aplicada en procesos de automatización. El objeto de esta plataforma es la de facilitar la implementación de los estándares de la norma IEEE 1451. El HW es implementado en un dispositivo FPGA NIOS II, lo cual facilita su adaptabilidad según sea la aplicación donde será implementada. c-Implementaciones de la norma en otras áreas de aplicación. La implementación de un módulo basado en el estándar IEEE 1451 para aplicaciones de redes en vehículos (IVN, In Vehicule Networks) es presentada en [62]. Este trabajo implementa una interfaz CAN (Controller Area Network) para la comunicación entre el STIM y en el NCAP. El módulo propuesto es puesto a prueba mediante la implementación de un sistema que monitorea la velocidad del motor de un vehículo de prueba. En [63] se presenta otra implementación del estándar en el área de aplicaciones IVN. En este trabajo se utiliza la arquitectura propuesta por el estándar para la integración de diversos sensores que son utilizados en un vehículo. En [64], se presenta un prototipo de instalación de pruebas para cohetes inteligentes. La inteligencia distribuida de los componentes basados en el estándar IEEE 1451, en especial el STIM, cumplen un papel fundamental en el análisis de todo el funcionamiento de la instalación. Un chip basado en la arquitectura del STIM propuesto por el estándar IEEE 1451, es presentada en [65]. Este chip esta integrado por un ADC de ocho canales y 12 bits de resolución, además de un microcontrolador de 8 bits, y una memoria EEPROM para la implementación del TEDS. Un prototipo de arquitectura de un sensor orientado a servicios basado en el STIM definido por el estándar IEEE 1451, para aplicaciones geo-espaciales es presentado en [66]. En [67], se propone un conjunto de instrumentos virtuales desarrollados en LabVIEW con el fin de poder realizar pruebas a módulos NCAP y STIM. En [68], se presenta una aplicación 26 2.3. Sensores inteligentes basado en el estándar IEEE 1451 con fines a la observación del océano a través del SOS-OGC (open Geospatial consortium-sensor observation services). En [69–71], se platean trabajos relacionados al del estándar ISO/IEC/IEEE 21451-7 y a la tecnología RFID (Radio frequency identification). La idea de estos trabajos es la de mejorar la eficiencia de esta clase de sensores, y de facilitar el análisis de los datos adquiridos por medio de un Framework propuesto. En [72] se propone el uso del estándar ISO/IEC/IEEE 21451.0 en redes de comunicación PLC (Power Line Communications). Cabe destacar que actualmente la norma no contempla el uso de este tipo de redes, sin embargo debido a su perfil flexible y abierto a modificaciones, fácilmente se pueden adaptar nuevos tipos de redes o medios de comunicación. d-Trabajos orientados al desarrollo del NCAP La mayoría de los trabajos presentados hasta ahora, enfocan sus esfuerzos en la implementación del STIM. Resultando el NCAP, la otra entidad definida por la norma ISO/IEC/IEEE 21451x, en segundo plano. El NCAP, es la encargada de actuar como medio de comunicación entre la red de sensores y el usuario final. Por lo general el NCAP posee una conexión a internet para transmitir sus datos. En la literatura no existen muchos trabajos referentes exclusivamente al NCAP, la mayoría de los trabajos realizados implementan el NCAP, como parte necesaria por el estándar pero no se enfocan en su desarrollo . Entre los que se pueden encontrar en la literatura esta [73], en el cual se implementa un controlador de protocolo para el NCAP, utilizando el lenguaje VHDL. Este trabajo propone implementar el NCAP en un FPGA de bajo coste. Con esto se pretende facilitar la implementación del TII definido por el estándar IEEE 1451.2 en un ordenador (Figura 2.10). Sin embargo, esta implementación resulta difícil de modificar ya que requiere un conocimiento profundo sobre la arquitectura HW que fue implementada. En [75], una implementación de un NCAP en un microcontrolador de bajo coste es también presentada. En [76], se propone implementar el NCAP a los módulos de mamografía digital. Se propone el uso de filtros no lineales y el estándar para la realización de mamografías móviles. En este trabajo el estándar proporciona un modelo de aplicación que garantiza la interoperabilidad de diversos tipos de sensores. Todos estos trabajos citados y otros más [74, 77–87], demuestran la diversidad de aplicaciones en las cuales puede ser implementada la norma ISO/IEC/IEEE 21451x . 27 2. Nodos sensores en Redes Inalámbricas: Evolución y estado actual Fig. 2.10: Controlador de protocolo implementado en FPGA, propuesto por [74]. 2.4 NODOS SENSORES RECONFIGURABLES EN REDES DE SENSORES La mayoría de trabajos citados anteriormente, exponen que por lo general el tipo de aplicaciones en las que las redes de sensores inalámbricas son utilizadas atañen a la monitorización de parámetros físicos, con un ciclo de trabajo pequeño. Esto implica que los nodos están en un estado de bajo consumo la mayor parte del tiempo, despertándose exclusivamente para realizar una o varias medidas, enviar la información a la red y volver a su estado de reposo. Esto ha sido durante los últimos años el paradigma de las redes de sensores inalámbricas. Considerando esto, diversos grupos de investigación y empresas han aportado diversas soluciones en el hardware de los nodos. Propiciando así, una gran diversidad de plataformas, así como protocolos de comunicaciones, y algoritmos. Sin embargo, durante estos últimos años, el paradigma de las WSNs ha ido modificándose, ya que se han planteado nuevas aplicaciones para las redes de sensores que imponen nuevos requisitos, demandando nuevas características que las plataformas actuales no poseen. Anteriormente, teniendo en cuenta las características de las WSNs, el enfoque habitual era, el de optimizar el hardware para cada aplicación. De esta manera, cuando la implementación que se realizará para un despliegue determinado está definida, se podía integrar funcionalidades en un chip para abaratar costes y minimizar el consumo. Sin embargo, aunque esa opción es adecuada para una solución concreta, la gran diversidad de las posibles aplicaciones para las WSNs, 28 2.4. Nodos sensores reconfigurables en redes de sensores Fig. 2.11: Arquitectura parcialmente reconfigurable propuesta en [88]. hacen que esta metodología no sea la más adecuada. Teniendo en cuenta las características fundamentales de este tipo de redes, se puede inferir que el hardware de las mismas deba ser flexible y adaptable según la aplicación. Como se ha presentado anteriormente, usualmente las plataformas actuales en las WSNs, basan su estructura en micro-controlador ASIC de bajo coste, el cual está encargado del proceso de sensado, del procesamiento posterior de las medidas, y de la comunicación de las mismas [13]. Sin embargo, varios trabajos han sido realizados a fin de incrementar la flexibilidad de las plataformas de nodos, como resultado la utilización de dispositivos reconfigurables como las FPGA, FPAA y PSoC en nodos de WSNs son cada vez más usuales. En [88–90] se presenta una estrategia de reconfiguración que optimiza el consumo de energía en nodos con hardware dinámicamente reconfigurable y que utilizan fuentes de energía renovable. Su plataforma de prueba es un nodo sensor implementado en una FPGA de bajo consumo, un procesador basado en el modelo SPARC V8 (Leon 3) y un puerto de comunicación ICAP (Internal configuration Access port) para la comunicación entre el procesador y la FPGA (Figura 2.11). Este trabajo plantea la reconfiguración HW a partir del nivel de energía disponible por el nodo. Sus resultados indican una mejora considerable en el ahorro de energía, al aplicar técnicas de reconfiguración parcial en su nodo. Para validar su estrategia se implementaron en la FPGA distintos algoritmos de procesamiento, como filtros FIR , códigos de encriptación AES o Transformadas de Fourier FFT, en la plataforma y se compararon los consumo de estas implementaciones contra implementaciones SW de los mismos algoritmos. En el trabajo de Tesis presentado por Morales en [91], se proponen diversas arquitecturas que están compuestas por dispositivos reconfigurables. Se plantea la utilización de diversos dispositivos como FPGA (Spartan-3A de Xilinx) combinado con un FPAA (dpASP AN221E04 de Anadigm) y un microcontrolador, como se muestra en la Figura 2.12. De esta forma, el FPAA implementa la interfaz analógica adecuada a cada tipo de sensor, realizando además las tareas de conversión analógica a digital. Al mismo tiempo, el FPGA implementa los bloques 29 2. Nodos sensores en Redes Inalámbricas: Evolución y estado actual Fig. 2.12: Arquitectura FPGA + FPAA propuesta (Morales [86]) digitales más adecuados al tipo de sensor y proporciona la interfaz adecuada para los buses de comunicación. El uso de estos dos dispositivos en conjunto proporciona una mayor flexibilidad de la plataforma lo que permite la integración rápida de diversos sensores, interfaces analógicas múltiples y flexibles, así como arquitecturas digitales de alta complejidad. La idea fundamental en este trabajo es aprovechar las sinergias que se crean cuando se utilizan estos dos dispositivos reconfigurables. Pero no solo puede utilizarse éste sistema como plataforma de prototipado, sino que también se posibilita las capacidades de acondicionamiento auto-reconfigurables, los cuales permiten modificar las estructuras de procesado implementadas en el hardware de manera dinámica, beneficiando esto al rendimiento del sistema. La arquitectura propuesta en éste trabajo fue probada y aplicada tanto al monitoreo de variables ambientales, como a la medición de variables fisiológicas. En [92] se plantea una plataforma de nodo reconfigurable para redes de sensores inalámbricas con aplicación a redes industriales utilizando la tecnologías IoT (Internet of Things). Su sistema utiliza un dispositivo CPLD, el cual simplifica el diseño de circuitos que hacen de interfaz con los diversos transductores que utiliza. Además, la plataforma utiliza el estándar ISO/IEC/IEEE 21451.2 lo cual permite la estandarización de su plataforma a otras redes de sensores inteligentes. En la Figura 2.13 se puede observar el diagrama en bloques del sistema propuesto en este trabajo. El dispositivo CPLD es el encargado de implementar las diversas interfaces necesarias en el nodo sensor. En [93] se presenta una plataforma reconfigurable que utiliza un PSoC para desarrollar una interfaz denominada UISI (Universal Intelligent System on Chip Sensor Interface), orientada a sensores inteligentes y siguiendo la metodología IEEE 1451 [6]. Éste trabajo propone una plataforma con una etapa de adquisición de datos flexible tanto para sensores analógicos como digitales. Además, permite implementar ciertos circuitos de acondicionamiento según se el tipo de transductor que se desee utilizar. (sensores con interfaces 30 3.1. Arquitectura del Framework para redes de sensores escalables de interfaces y de protocolos para el desarrollo de las redes de sensores inalámbricas es fundamental con vistas a la ubiquidad de las redes de sensores, en este contexto, la norma ISO/IEC/IEEE 21451x surge como una solución a esta problemática. Sin embargo, la misma presenta algunas características que dificultan su integración en aplicaciones de redes de sensores inalámbricas. Aunque el estándar ISO/IEC/IEEE 21451x define varias formas de unificar la comunicación entre sensores y la red de datos, aún siguen vigentes una serie de inconvenientes a resolver por ejemplo, el estándar ISO/IEC/IEEE 21451-1 es relativamente complejo y por lo tanto resulta inadecuado para ser implementado en nodos con capacidad limitada de procesamiento. El Transducer Independent Interface (TII) definido por el estándar IEEE ISO/IEC/IEEE 21451-2 es inviable en una red de sensores de bajo costo, ya que requiere de un conector con diez pines para la comunicación entre el Transducer Interface Module (TIM) y el Network Capable Application Processor (NCAP). El conjunto de estándares ISO/IEC/IEEE 21451-3 y el ISO/IEC/IEEE 21451-4 no tuvieron mucho éxito en su implementación debido a su complejidad y en la actualidad ambos se encuentran en proceso de revisión. El estándar definido para las comunicaciones inalámbricas el ISO/IEC/IEEE 21451-5 especifica únicamente cinco protocolos de comunicación, aunque su implementación sigue siendo compleja considerando que no existen transceptores que implementen el estándar en su firmware. No obstante, el modelo orientado a objetos planteado por el estándar ISO/IEC/IEEE 21451-1 resulta muy interesante y su filosofía es utilizada en la definición del Framework propuesto en este trabajo. Es importante destacar que el estándar ISO/IEC/IEEE 21451.0 ha simplificado significativamente el planteamiento de la propuesta. Sin embargo, aun con las simplificaciones presentadas en la revisión de la norma, la misma resulta aún compleja y su implementación en sistemas con recursos limitados como las redes de sensores inalámbricas es intrincada. La idea que ha inspirado el planteamiento del Framework propuesto se fundamenta en el hecho que en principio, existe una gran cantidad de aplicaciones en las cuales las redes de sensores inalámbricas resultan de interés. Por lo tanto, se propone una plataforma capaz de adaptarse a una gran variedad de aplicaciones emergentes. La propuesta de utilizar un Framework en el diseño de redes de sensores tiene como objeto solventar los problemas de compatibilidad derivados de protocolos y formatos de comunicación propietarios. Además, proporcionar un nivel adicional de homogeneización para el diseño y la gestión de los nodos sensores. En definitiva, la propuesta de esta Tesis plantea no únicamente 37 3. Discusión de las Aportaciones Fig. 3.1: Representación de los objetivos del Framework como intersección de las variables involucradas. solucionar los problemas de compatibilidad entre los sensores, sino también proporcionar un Framework que permita el desarrollo unificado de los nodos para las redes de sensores inalámbricas. Antes de definir el Framework propuesto, se presentará tres objetivos principales sobre los cuales se fundamenta la propuesta: • El Framework está basado en la norma ISO/IEC/IEEE 21451x lo cual garantiza la heterogeneidad y la escalabilidad de los nodos y de la red de sensores. • El Framework es relativamente sencillo de implementar y se basa en la filosofía de la programación orientada a objetos lo que permite su fácil implementación. • El Framework es capaz de operar arquitecturas con nodos re-configurables a fin de incluir el mayor número posible de tipos de de interfaces utilizadas en los transductores. Considerando los objetivos mencionados es posible delimitar la intersección entre las variables involucradas, correspondientes a la heterogeneidad, el área de la investigación y desarrollo y el área de las aplicaciones, la que se corresponde con los objetivos del Framework propuesto (Figura 3.1). Para asegurar la compatibilidad, el Framework adopta los criterios establecidos por la norma ISO/IEC/IEEE 21451x, utilizando el mismo formato de datos e interfaces para asegurar la compatibilidad con la norma. El Framework también proporciona los servicios básicos a los usuarios locales y remotos como está definido en el estándar. 38 3.1. Arquitectura del Framework para redes de sensores escalables Fig. 3.2: Objetivos definidos en el TIM y NCAP. Los objetos definidos por el Framework están basados en las dos entidades principales establecidas por la ISO/IEC/IEEE 21451x. Estas dos entidades son también adoptadas como objetos (TIM y NCAP). Los objetos NCAP y TIM son componentes de alto nivel en nuestra definición. Cada entidad puede ser separada en objetos más pequeños, haciendo posible la reutilización de estos componentes para diferentes tipos de sensores, todo ello sin depender de la capa física o de la red de datos utilizada para el transporte de la informacion. La Figura 3.2 muestra la estructura implementada en la entidad TIM y NCAP respectivamente. Como puede observarse en el diagrama de la Fig.2, pueden ser definidos cinco bloques en el TIM: El bloque encargado de las comunicaciones, el bloque que gestiona y contiene los TEDS, el bloque donde están definidas las funciones básicas del TIM, el bloque que maneja las interfaces con los transductores o actuadores y el bloque de control del TIM que maneja los bloques de datos de cada canal. El bloque de comunicaciones debe implementar todas las interfaces definidas en la familia estándar ISO/IEC/IEEE 21451-5, además de simplificar la utilización de nuevas tecnologías y protocolos. Especialmente debe permitir la integración fácil de protocolos desarrollados en el área de investigación. El bloque de TEDS contiene toda la información sobre el transductor, tales como parámetros de calibración, intervalos de medición, el número de identificación del sensor entre otros. El bloque transductor o actuador se compone de varias bibliotecas, permitiendo la gestión de los sensores analógicos o digitales. El bloque de dirección y función gestiona el control de cada transductor. Este bloque contiene una variedad de funciones que pueden leer o escribir cualquier sensor o actuador. La norma define un límite de 255 canales de transductor para cada TIM,por consiguiente, se han definido varios comandos para permitir la manipulación de todos 39 3. Discusión de las Aportaciones los canales disponibles. El bloque de TIM decodifica los comandos recibidos del NCAP u otro TIM. El NCAP es la segunda entidad definida por el Framework basado en la norma ISO/IEC/IEEE 21451x. Esta entidad hace posible el acceso a la red de sensores inteligentes a través de Internet u otro tipo de red . En el NCAP, se definen los siguientes bloques: bloque de interfaz, bloque comunicación y bloque de servicio. El bloque de interfaz gestiona el enlace de comunicación con Internet, posibilitando el uso de diversos protocolos como el HTTP. El bloque de comunicación implementa todas las API´s de comunicación definidas por el estándar ISO/IEC/IEEE 21451.0. El bloque de servicios contiene las funciones básicas definidas por la norma. 3.2 LA NORMA ISO/IEC/IEEE 21451X COMO FUNDAMENTO DEL FRAMEWORK Una vez definido los objetos y bloques que conforman el Framework propuesto, es necesario considerar que el Framework será utilizado para la implementación de arquitecturas de nodos de redes de sensores inalámbricas, por lo tanto es necesario considerar las limitaciones de éstas arquitecturas. En el capítulo 2 de la Memoria se han detallado algunas de las limitaciones. En este contexto, resulta de interés la implementación del Framework en una plataforma reconfigurable ya que permitiría la adaptación del nodo ante determinados eventos, característica que abre posibilidades para nuevas aplicaciones , así como la posibilidad de probar nuevos conceptos los que podrían ser introducidos en diseños posteriores del nodo. 3.2.1 Implementación del nodo en una arquitectura empotrada La elección de una arquitectura para la implementación del Framework propuesto es necesaria a fin de plasmar las características de escalabilidad y heterogeneidad deseadas. Por lo expuesto, consideramos que una arquitectura empotrada constituye una alternativa válida para implementar el Framework. Las arquitecturas para sistemas empotrados son las más utilizadas en la actualidad, presentando un bajo costo de implementación y por lo general un bajo consumo de energía. Aunque normalmente este tipo de plataformas poseen ciertas limitaciones HW, comparadas con arquitecturas modulares. Además, el desarrollo en el área de la microelectrónica ha posibilitado el desarrollo de dispositivos denominados SoC (System on 40 3.2. La norma ISO/IEC/IEEE 21451x como fundamento del Framework Fig. 3.3: Framework Implementado en arquitectura PSoC 1. Chip). Estos dispositivos empotrados cuentan con una gran variedad de periféricos en un solo chip, lo cual amplía sus recursos HW y por ende su flexibilidad. En este trabajo, se ha seleccionado el dispositivo PSoC (Programmable System on Chip), de la empresa Cypress [94]. Este dispositivo cuenta con un microcontrolador, un módulo de memoria no volátil, un sistema analógico programable y un sistema digital programable. En la Figura 3.3, se puede observar el mapeamiento de cada uno de los bloques del Framework utilizando los periféricos disponibles en la arquitectura PSoC. Como puede apreciarse en el diagrama de la Figura 3.3, cada periférico del PSoC es capaz de desempeñar las tareas establecidas en los bloques del Framework. La integración se complementa con el desarrollo de unas librerías que contienen las definiciones establecidas por la norma ISO/IEC/IEEE 21451.0. 3.2.2 Implementación del nodo basado en el Tiny OS El TinyOS es considerado como el sistema operativo estándar de-facto en las WSNs. Principalmente es utilizado en el área de la investigación, ya que facilita el diseño y la implementación de nuevos protocolos de comunicación y aplicaciones específicas. Como ha sido expuesto en el capítulo anterior, el TinyOS es un sistema operativo basado en eventos, que consta de una pila de tareas especialmente diseñado para su utilización en la implementación de protocolos de redes de sensores inalámbricas. Esta basado en el lenguaje NesC, un dialecto del C, el cual permite el desarrollo de componentes. Todas las aplicaciones escritas en NesC están 41 3. Discusión de las Aportaciones Fig. 3.4: Implementación de la norma ISO/IEC/IEEE 21451.0 en el TinyOS. organizadas en componentes, que a su vez poseen interfaces que son bidireccionales. El TinyOS proporciona un alto nivel de abstracción de Hardware, lo cual incrementa la portabilidad y simplifica el desarrollo del Software [95]. Sin embargo, el TinyOS solo puede ser utilizado en algunas plataformas existentes y su portabilidad resulta relativamente complicada [96]. La integración de la norma ISO/IEC/IEEE 21451x utilizando el TinyOS requirió la implementación de las dos entidades definidas en la norma. El WTIM es implementado en cada uno de los nodos de la red (Plataformas TelosB en este trabajo) y el NCAP se implementa parcialmente en el nodo Sink. El WTIM utiliza las interfaces nativas del TinyOS para la comunicación y control de varios componentes de la plataforma TelosB. Estas interfaces permiten por ejemplo, la comunicación y el control del dispositivo de radio CC2420. El NCAP implementado parcialmente en el nodo Sink de la red, utiliza una interfaz serial para transferir los datos a un ordenador. En la Figura 3.4 puede observarse el diagrama de componentes requeridos para la implementación de la norma en el TinyOS. Cada recuadro representa un componente, los recuadros con líneas punteadas son componentes genéricos implementados por el TinyOS, los demás son componentes de configuración. El componente Ieee1451C es el componente que contiene toda la norma. La comunicación con el protocolo de ruteo se hace a través de simples interfaces (Figura 3.5). Se necesitan solo cuatro interfaces entre el componente de la norma y el del protocolo de ruteo. El diseño por componentes definido por el TinyOS hace posible la integración de la norma con diversos protocolos de ruteo de una manera sencilla. La implementación de la norma se realizó utilizando el TelosB y el CM3300 sin necesidad de modificar el componente que define la norma. Con estas dos implementaciones hemos probado las características de flexibilidad y portabilidad del Framework propuesto. Tanto en la implementación basada en periféricos Hardware, como en la implementación basada en componentes Software, la implementación 42 3.2. La norma ISO/IEC/IEEE 21451x como fundamento del Framework Fig. 3.5: Interfaces requeridas para comunicarse con el componente del protocolo de ruteo. del Framework ha resultado relativamente sencilla. Una vez definidas las implementaciones, el Framework es puesto a prueba en dos proyectos orientados al monitoreo de variables medio ambientales. A continuación se presentan mayores detalles de la implementación y se discuten los resultados. 3.2.3 Aplicaciones del Framework propuesto en sistemas ITS Los Sistemas de transporte Inteligente (ITS, por sus siglas en ingles) están constituidos por un amplio conjunto de tecnologías aplicadas e integradas a sistemas de transporte para otorgar seguridad, ahorrar tiempo y recursos a los usuarios. Además, permiten la gestión de las vías utilizadas, postergando la necesidad de inversión en su mantenimiento [97]. Los ITS corresponden a sistemas en los cuales se ha aplicado e integrado tecnologías de información y control para mejorar sus operaciones. Esta amplia definición, permite recoger la enorme diversidad de aplicaciones existentes, en investigación y desarrollo, que pretender otorgar seguridad, ahorrar tiempo y/o recursos a los usuarios. En el primer y segundo articulo presentado en este libro [97], [98] se propone la utilización del sistemas del transporte público de la ciudad de Asunción-Paraguay, como nodos de una red inalámbrica, el objetivo es el monitoreo de variables medio-ambientales. Como puede observarse en la Figura 3.6, cada bus del transporte publico cuenta con unos transductores de gas, de temperatura, GPS, entre otros. En cada nodo de la red (bus de transporte publico), el Framework propuesto fue implementado siguiendo la filosofía que utiliza los recursos HW de un sistema empotrado. En la Figura 3.7 puede observarse la implementación del WTIM de la red de sensores. La implementación del Framework se realizó en un dispositivo PSOC 1, lo cual facilitó la implementación del mismo, ya que estos dispositivos cuentan con varios periféricos HW. Esta red permitió el monitoreo de variables tales como la temperatura, humedad y CO . 43 3. Discusión de las Aportaciones Fig. 3.6: Red de sensores implementada en unidades del transporte público e implementada en la ciudad de Asunción. Fig. 3.7: WTIM implementado en un bus de transporte. 44 3.2. La norma ISO/IEC/IEEE 21451x como fundamento del Framework Tabla 3.1: Medidas obtenidas en el recorrido por la Avda. Mariscal Lopez. Puntos Hora de Coordenada Coordenada Temperatura Monóxido la medida Longitud Latitud (°C) de Carbono (ppm) Punto de Inicio 12:00 pm 25° 17.709’S 57° 34.632’O 33 36,7 Punto 1 12:07 pm 25° 17.691’S 57° 34.686’O 32,5 38,9 Punto 2 12:11 pm 25° 17.618’S 57° 34.839’O 32,6 40 Punto 3 12:17 pm 25° 17.552’S 57° 35.001’O 33,8 38,9 Punto 4 12:20 pm 25° 17.476’S 57° 35.170’O 32,5 42 Punto Final 12:27 pm 25° 17.391’S 57° 35.355’O 35,4 36,8 Para desplegar los resultados se desarrolló un software que permitía ver las variables obtenidas por medio de la red de sensores dispuestos en el bus de transporte. En la Tabla III y la Figura 3.8 se pueden observar algunas medidas adquiridas por la red de sensores. Para la implementación del Framework se utilizó el 52% de la memoria no volátil del PSoC1 (de 32 Kbytes) y el 11 % de su memoria RAM (de 2kBytes). Esta implementación fue compilada con una versión libre del compilador y podría ser reducida en tamaño si se hubiera utilizado una versión con licencia del compilador. 3.2.4 Aplicaciones del Framework propuesto para el monitoreo de reservas naturales La segunda utilización del Framework fue para el desarrollo de un sistema de medición en el marco del proyecto de monitoreo de variables medio ambientales en refugios naturales. El proyecto denominado FLORA, fue desarrollado conjuntamente por la Universidad Católica Nuestra Señora de la Asunción y el Parque Tecnológico de Itaipu. Los objetivos del proyecto fueron el diseño y la implementación de una red de sensores inalámbricos para el monitoreo de la reserva natural denominada Tati-Yupi y del Zoológico de la Itaipu margen derecha. La Figura 3.9 muestra la arquitectura de red implementada en este proyecto. Para la implementación de los diferentes nodos, se utilizó la plataforma TelosB y su variante el CM3300 como nodos sensores y repetidores para la red . El sistema operativo TinyOS fue utilizado para el desarrollo de un nuevo protocolo de ruteo [54] y el Framework 45 3. Discusión de las Aportaciones Fig. 3.8: Medidas obtenidas en la ruta Mariscal López de la ciudad de Asunción. Fig. 3.9: Arquitectura de red implementada en el proyecto Flora. 46 3.3. Reconfigurabilidad de los nodos sensores reconfiguración del nodo. Para llevar a cabo esta tarea, es necesario primeramente mapear los recursos reconfigurables de los dispositivos que integran el nodo. Desde el punto de vista de la implementación, esta tarea es la más complicada en el proceso de definición del nuevo TEDS. Sin embargo, una vez realizado el mapeo de los recursos reconfigurables, la reconfiguración resulta una tarea sencilla resultando además ser compatible con todos los dispositivos de la misma clase. Por lo expuesto, se requiere estructurar un único TEDS por cada clase de dispositivo. 3.3.3 Implementación del nodo sensor reconfigurable utilizando el PSOC 5 Para la implementación del TEDS propuesto es necesario contar con dispositivos con capacidad de reconfiguración. En principio, podemos considerar tres tipos distintos de dispositivos reconfigurables, los cuales son usualmente utilizados en las WSNs. Los FPGAs que comúnmente son utilizados para implementar interfaces digitales o algoritmos de procesamiento, los FPAAs que se utilizan para realizar circuitos de acondicionamiento analógicos y los PSoC, que por sus características permiten realizar tanto circuitos digitales como analógicos. Es importante considerar que no todos los modelos de estos dispositivos permiten una reconfiguración dinámica en el HW. Sin embargo, en este trabajo nos hemos centrado en los dispositivos que permiten este tipo de reconfiguración. Como plataforma de prueba se ha seleccionado el dispositivo PSoC 5 de la empresa Cypress [94], este dispositivo integra módulos de circuitos digitales y analógicos, lo cual brinda bastante flexibilidad para su utilización en redes de sensores. Los dispositivos mencionados permiten la reconfiguración de su HW a través de la modificación de registros. En particular, los PSoC y los FPAA utilizan registros específicos que permiten configurar su HW. Por lo tanto, se requiere realizar un mapeo de los registros de cada dispositivo, a fin de poder modificarlos externamente. La propuesta de estructura definida en el TEDS permite efectuar este mapeamiento de una manera ordenada y simple, ver (Figura 3.14). En la Tabla 3.3 se detallan los bloques analógicos del dispositivo PSoC 5 clasificados según su función, la cantidad de bytes requeridos para describir cada uno de estos bloques y, las funcionalidades que soportan. Para la descripción del mapeamiento nos hemos enfocado en los componentes analógicos del PSoC 5, considerando que los transductores utilizados para el monitoreo de gases 53 3. Discusión de las Aportaciones Tabla 3.3: Estructura requerida para definir los bloques analógicos del PSoC 5. Bloques Tamaño (bytes) Descripción SC/CT 32 Configuración del amplificador (PGA, TIA, Inv-PGA), ganancia, potencia, ruteo. OP-amp 20 Configuración del amplificador (PGA, TIA, Inv-PGA), ganancia, potencia, ruteo. SAR ADC 16 Resolución, Ruteo Delta Sigma ADC 8 Resolución, Ruteo, Tiempo de muestro DAC 20 Rango de operación, Valor de conversión GPIO 5 Información de ruteo Otros 6 Reservado Fig. 3.14: Estructura del TEDS utilizada para describir los bloques HW del PSoC. normalmente poseen interfaz analógica. En la literatura consultada, la reconfiguración de los nodos sensores de las WSN se centran en dispositivos digitales. Sin embargo, existe una gran variedad de transductores analógicos que resultan imprescindibles para determinadas aplicaciones. Por lo expuesto, en este trabajo se plantea una arquitectura reconfigurable optimizada para el acondicionamiento de señales provenientes de transductores analógicos. La Tabla 3.4 describe con mayor detalle los campos definidos para la descripción de los amplificadores operacionales del PSoC 5. Estos campos pueden modificar el modo de operación del amplificador, su consumo y como están conectadas sus entradas y sus salidas. 54 3.3. Reconfigurabilidad de los nodos sensores Tabla 3.4: Estructura de campos requeridos para definir las conexiones de los amplificadores operacionales en el PSoC 5. Campo Valor Descripción On/Off – Indica si el operacional está habilitado o no Modo 0x00 Amplificador sin configuración Este campo indica 0x01 Amplificador Seguidor la configuracion del operacional 0x02 Amplificador Inversor 0x03 Amplificador No inversor Potencia 0x00 Minima Este campo indica 0x01 Baja la potencia del operacional 0x02 Medio 0x03 Máxima Vn 0x00 No conectado Este campo indica 0x01 Bus donde está conectada 0x02 Bus la terminal negativa del operacional Vp 0x00 No conectado Este campo indica 0x01 VREF donde está conectada 0x02 Bus 1 la terminal positiva del 0x03 Bus 2 operacional .................. 0x07 Bus 7 Para realizar la reconfiguración de una manera sencilla, se desarrolló un interfaz gráfica (GUI) la cual permite generar el TEDS de manera automática, ver Figura 3.15. El GUI permite la modificación de cada uno de los parámetros de los distintos componentes analógicos del dispositivo. También permite modificar el ruteamiento interno entre los componentes, el microcontrolador integrado y, con los pines de entrada y salida. Una vez realizada las 55 3. Discusión de las Aportaciones conexiones, el usuario puede generar el TEDS y enviarlo de forma inalámbrica al nodo que desea modificar. En el nodo (WTIM), el TEDS es recibido y procesado para iniciar el proceso de reconfiguración. Seguidamente, el TEDS es registrado tanto en el WTIM como en la base de datos del NCAP. Para la gestión de los nodos de la red, es fundamental que ambos TEDS contengan la misma información, de manera a evitar posibles fallas en la lectura de los transductores. Fig. 3.15: Aplicacion desarrollada para configurar el nuevo TEDS. 3.4 CONCLUSIONES En este capitulo se han expuesto y discutido el Framework propuesto y el TEDS diseñado en los Artículos 1 y 4 respectivamente. La flexibilidad que ofrece el Framework propuesto fue validado en dos proyectos debidamente descritos, en los cuales se ha implementado el Framework en distintos tipos de plataformas para redes inalámbricas. El primer proyecto implementa el Framework en un dispositivo empotrado y es implementado en una red de sensores con el fin de monitorear la temperatura, humedad, y concentración de gases nocivos en la ciudad de Asunción-Paraguay. El segundo proyecto denominado proyecto FLORA, permitio el despliegue de más de 50 nodos inalámbricos para el monitoreo de la reserva 56 3.4. Conclusiones natural Tati-Yupi y el zoológico de la Itaipu binacional. En este proyecto la implementación del Framework se realizó utilizando el sistema operativo TinyOS. El nuevo TEDS propuesto, permite la estandarización del proceso de reconfiguración de nodos sensores. El TEDS fue implementado en diversas pruebas de laboratorio, las cuales dieron como resultado diversas publicaciones [105–109]. En estas publicaciones se detallan las características del TEDS y las modificaciones que se tuvieron que implementar en la norma ISO/IEC/IEEE 21451.x. 57 3. Discusión de las Aportaciones 58 Chapter 4 PRINCIPALES APORTACIONES Y LINEAS FUTURAS DE INVESTIGACIÓN En este último apartado, se presenta un resumen de las principales aportaciones sobre los trabajos realizados en esta tesis en relación al diseño, implementación y despliegue de redes de sensores inalámbricas. El objetivo de este trabajo de investigación ha sido el desarrollo de un Framework para el diseño de arquitecturas escalables de nodos para redes inalámbricas que permita la integración de sensores heterogéneos y plataformas reconfigurables en este tipo de redes. 4.1 PRINCIPALES APORTACIONES Las principales aportaciones de este trabajo ya han sido destacadas en los capítulos previos. No obstante, son presentadas a continuación las que se consideran de especial relevancia: • Se ha realizado una exhaustiva revisión bibliográfica acerca de las redes de sensores inalámbricas, las arquitecturas de los nodos sensores y las plataformas disponibles para el diseño de este tipo de redes. A partir de este análisis, considerando los requerimientos de las redes de sensores actuales, se ha propuesto una arquitectura de red inalámbrica para el monitoreo de variables medio-ambientales en aplicaciones de sistemas de transporte 59 4. Principales aportaciones y lineas futuras de investigación inteligentes (ITS, por su siglas en inglés), la cual está basada en la familia de estándares ISO/IEC/IEEE 21451-x. • Adicionalmente, y basado en la aportación previa, se propone una modificación al Framework de forma a incluir la gestión de arquitecturas escalables de nodos en redes inalámbricas. Este nuevo Framework plantea la integración del sensor inteligente, definido por la norma ISO/IEC/IEEE 21451-x con el sistema operativo para redes de sensores inalámbricas denominado TinyOS. El objetivo de la propuesta es fortalecer las características de escalabilidad y ubiquidad de los nodos, permitiendo el uso de sensores heterogéneos en la red. El funcionamiento adecuado y la flexibilidad de este Framework ha sido verificado en el monitoreo y registro de variables medio-ambientales para la vigilancia y preservación de reservas naturales en el marco del proyecto FLORA. • Asimismo, se ha propuesto un procedimiento para la estandarización del proceso de reconfiguración de nodos sensores asociados a redes inalámbricas. Para el efecto, se ha definido un nuevo datasheet electrónico (TEDS) asociado al estándar ISO/IEC/IEEE 21450, para posibilitar la reconfiguración del hardware de acondicionamiento de señales del nodo sensor. Este nuevo TEDS ha sido implementado y probado en una red de monitoreo de variables medio-ambientales, demostrando su utilidad para aplicaciones reales. Consideramos que este aporte abre un amplio espectro de posibilidades para la gestión inteligente de los nodos sensores en cuanto a su adaptabilidad al entorno de operación y al consumo de los mismos. 4.2 LÍNEAS FUTURAS DE INVESTIGACIÓN Como previamente mencionado, el objetivo de este trabajo de investigación ha sido el desarrollo de un Framework para el diseño de arquitecturas escalables de nodos para redes inalámbricas que permita la integración de sensores heterogéneos y plataformas reconfigurables. Consideramos que se han cumplido con los objetivos propuestos en la Tesis, aunque somos conscientes de que aún queda mucho camino por recorrer. En ese sentido, podrían mejorarse varios aspectos del Framework, algunos de los cuales son citados a continuación: • Puede resultar de interés la integración del Framework con el protocolo IPv6, esto 60 4.2. Líneas futuras de investigación permitiría la combinación de las redes implementadas con el concepto de Internet de las cosas (Internet of Things o IoT, por sus siglas en inglés). De esta manera sería posible la interconexión digital de cualquier red de sensores a Internet, como un objeto más de la red. • El trabajo se ha centrado en el estudio de las redes de sensores inalámbricas. Sin embargo, existen en la actualidad una gran cantidad de redes conectadas de forma física a través de cableado físico, como sería el caso de las redes que utilizan el protocolo de comunicación CAN (Controller Area Network) presente en los automóviles. Por lo tanto, el Framework propuesto podría ser extendido de manera a considerar este tipo de arquitecturas de redes. • El Framework diseñado propone un método para estandarizar el proceso de reconfiguración de nodos sensores en redes inalámbricas. Sin embargo, sólo se ha podido demostrar su correcto funcionamiento en sistemas en chip (SoC, por sus siglas en inglés). Por lo expuesto, se podría extender el funcionamiento del Framework utilizando otras arquitecturas programables tales como las FPAA (Field Programmable Analog Array) o las FPGA (Field Programmable Gate Array). En el caso de las FPGA, esto podría ser un gran desafío tecnológico, ya que hay que analizar la diferencia semántica entre la descripción del Framework y su implementación en la arquitectura y ver si los mecanismos disponibles actualmente en las FPGA permiten la configuración on the fly de los diferentes componentes. Entendemos que el proceso de estandarización de los nodos sensores de una red posee en la actualidad un interés evidente, a fin de posibilitar una gestión más ágil y eficiente en distintos aspectos de las mismas. No desconocemos las barreras existentes, pero creemos que es el camino indicado para que esta área de la tecnología pueda tener un mayor impacto en la mejora de la calidad de vida de las personas, quisiéramos haber contribuido en ese sentido. 61 Bibliografía [59] P. Doyle, D. Heffernan, y D. Duma, “A time-triggered transducer network based on an enhanced IEEE 1451 model,” Microprocessors and Microsystems, vol. 28, no. 1, pp. 1–12, 2004. [60] S. P. S. G. N. K. Suryadevara, S. C. Mukhopadhyay, S. D. T. Kelly, “WSN-based smart sensors and actuator for power management in intelligent buildings,” IEEE/ASME Transaction on Mechatronics, vol. 20, no. 2, pp. 564 – 571, 2014. [61] E. Batista, L. Gonda, a.C.R. da Silva, S. Rossi, M. Pereira, a.a. de Carvalho, y C. Cugnasca, “HW/SW for an intelligent transducer network based on IEEE 1451 standard,” Computer Standards & Interfaces, vol. 34, no. 1, pp. 1–13, Ene. 2012. [62] K. C. Lee, M. H. Kim, S. Lee, y H. H. Lee, “IEEE-1451-based smart module for in-vehicle networking systems of intelligent vehicles,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 51, pp. 1150–1158, 2004. [63] F. Cortés, F. Barrero, S. Toral, J. Prieto, y J. Guevara, “Multi-sensor integration in the vehicular system using the IEEE1451 Std.: A case study,” in IEEE Conference on Intelligent Transportation Systems, Proceedings, ITSC, 2009, pp. 255–260. [64] J. Schmalzel, F. Figueroa, J. Morris, S. Mandayam, y R. Polikar, “An architecture for intelligent systems based on smart sensors,” Instrumentation and Measurement, IEEE Transactions on, vol. 54, no. 4, pp. 1612–1616, 2005. [65] T. Cummins, E. Byrne, D. Brannick, y D. A. Dempsey, “An IEEE 1451 standard transducer interface chip with 12-b ADC, two 12-b DAC’s, 10-kB flash EEPROM, and 8-b microcontroller,” IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 33, no. 12, pp. 2112–2120, 1998. [66] E. Y. Song y K. B. Lee, “Service-oriented sensor data interoperability for IEEE 1451 smart transducers,” in 2009 IEEE Intrumentation and Measurement Technology Conference, I2MTC 2009, 2009, pp. 1049–1054. [67] H. M. G. Ramos, J. M. D. Pereira, V. Viegas, O. Postolache, y P. M. B. S. Girao, “A virtual instrument to test smart transducer interface modules (STIMs),” IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 53, no. 4, pp. 1232–1239, 2004. 69 Bibliografía [68] L. Bermudez, E. Delory, T. O’Reilly, y J. del Rio Fernandez, “Ocean observing systems demystified,” in OCEANS 2009, MTS/IEEE Biloxi - Marine Technology for Our Future: Global and Local Challenges, 2009, pp. 1–7. [69] H. Han, L. Fu, M. Li, y J. Wang, “A configurable RFID sensor tag baseband conforming to IEEE 1451.7 standard,” in Proceedings of 2012 International Conference on the Internet of Things, IOT 2012, 2012, pp. 63–67. [70] C. W. Tseng, C. M. Chang, y C. H. Huang, “Complex sensing event process of IoT application based on EPCglobal architecture and IEEE 1451,” in Proceedings of 2012 International Conference on the Internet of Things, IOT 2012, 2012, pp. 92–98. [71] K. L. J. Wang, L. Fu, H. Han, H. Min, “A low-cost configurable ISO/IEC/IEEE 21451-7-compatible sensor tag,” IEEE Sensors Journal, vol. 15, no. 5, pp. 2451–2459, 2015. [72] G. C. A. Cataliotti, “A Prototypal Architecture of a IEEE 21451 Network for Smart Grid Applications Based on Power Line Communications,” Ieee Sensors Journal, vol. 15, no. 5, pp. 2460–2467, 2015. [73] S. R. Rossi, E. D. Moreno, A. A. de Carvalho, A. C. R. da Silva, E. A. Batista, T. A. Prado, y T. A. Santos Filho, “A VHDL-based protocol controller for NCAP processors,” Computer Standards and Interfaces, vol. 31, no. 2, pp. 515–522, 2009. [74] V. Viegas, J. M. Dias Pereira, y P. M. B. Silva Girão, “.NET framework and web services: A profit combination to implement and enhance the IEEE 1451.1 standard,” IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 56, no. 6, pp. 2739–2747, 2007. [75] R. Kochan, K. Lee, V. Kochan, y A. Sachenko, “Development of a dynamically reprogrammable NCAP,” in Conference Record - IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference, vol. 2, 2004, pp. 1188–1192. [76] M. M. V. Bhateja, S. Urooj, S. Member, “Technical Advancements to Mobile Mammography Using Nonlinear Polynomial Filters,” Ieee Sensors Journal, vol. 15, no. 5, pp. 2559–2566, 2015. 70 Bibliografía [77] D. Karatzas, A. Chorti, N. M. White, y C. J. Harris, “Teaching old sensors new tricks: Archetypes of intelligence,” IEEE Sensors Journal, vol. 7, no. 5, pp. 868–880, 2007. [78] A. R. Nieves, N. M. Madrid, R. Seepold, J. M. Larrauri, y B. n. A. Larrinaga, “A UPnP service to control and manage IEEE 1451 transducers in control networks,” IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 61, no. 3, pp. 791–800, 2012. [79] Y. Wang, M. Nishikawa, R. Maeda, M. Fukunaga, y K. Watanabe, “A smart thermal environment monitor based on IEEE 1451.2 standard for global networking,” IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 54, pp. 1321–1326, 2005. [80] G. B. E. J. Manders, L. A. Barford, “An approach for fault detection and isolation in dynamic systems from distributed measurements,” Ieee Transactions On Instrumentation And Measurement, vol. 51, no. 2, pp. 235–240, 2002. [81] R. Seng, K. B. Lee, y E. Y. Song, “An implementation of a wireless sensor network based on IEEE 1451.0 and 1451.5–6LoWPAN standards,” 2011 IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference, pp. 1–6, 2011. [82] L. Camara, J. Gomez, J. Samitier, y J. Bosch, “Smart transducer systems working in communication networks within the IEEE-1451 standard,” IEEE 2002 28th Annual Conference of the Industrial Electronics Society. IECON 02, vol. 4, pp. 2898–2902, 2002. [83] A. Depari, P. Ferrari, A. Flammini, D. Marioli, y A. Taroni, “A VHDL model of a IEEE1451.2 smart sensor: Characterization and applications,” IEEE Sensors Journal, vol. 7, no. 5, pp. 619–625, 2007. [84] K. B. Lee y E. Y. Song, “Object-oriented application framework for IEEE 1451.1 standard,” IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 54, no. 4, pp. 1527–1533, 2005. [85] S. Gumudavelli, D. Gurkan, y R. Wang, “Emulated network of IEEE 1451 application with multiple smart Sensor reports,” in SAS 2009 - IEEE Sensors Applications Symposium Proceedings, 2009, pp. 304–308. [86] P. S. G. V. Viegas, J. M. D. Pereira, “Next generation application processor based on the IEEE 1451.1 standard and web services,” in Proceedings IEEE Intrumentation & Measurement Technology Conference, 2008, pp. 405–410. 71 Bibliografía [87] V. S. A. Kumar, “Current Status of the IEEE 1451 Standard-Based Sensor Applications. Sensors Journal,” IEEE Sensors Journal, vol. 15, no. 5, pp. 2541–2548, 2015. [88] Y. Li, Z. Jia, S. Xie, y F. Liu, “Dynamically reconfigurable hardware with a novel scheduling strategy in energy-harvesting sensor networks,” IEEE Sensors Journal, vol. 13, pp. 2032–2038, 2013. [89] Y. Li, Z. Jia, F. Liu, y S. Xie, “Hardware reconfigurable wireless sensor network node with power and area efficiency,” p. 247, 2012. [90] S. X. Z. Jia, Y. Li, “Energy-prediction scheduler for reconfigurable systems in energy-harvesting environment,” IET Wireless Sensor Systems, vol. 4, no. 2, pp. 80–85, 2014. [91] D. M. Santos, “Aplicación de Tecnologías Reconfigurables Analógica y Digital para Instrumentación Inteligente,” Ph.D. dissertation, Universidad de Granada, 2011. [92] Z. P. Q. Chi, H. Yan, C. Zhang y L. XU, “A reconfigurable smart sensor interface for industrial WSN in IoT environment,” Informatics, IEEE Transactions Industrial, vol. 10, no. 2, pp. 1417–1425, 2014. [93] V. Mattoli, A. Mondini, B. Mazzolai, G. Ferri, y P. Dario, “A universal intelligent system-on-chip based sensor interface,” Sensors, vol. 10, pp. 7716–7747, 2010. [94] C. Semiconductor, “Cypress Semiconductor (última actualización Setiembre 2015).” [Online]. Available: http://www.cypress.com [95] J. P. V. Handziski, “TEP2 Hardware Abstraction Architecture. TinyOS Core Working Group,” Tech. Rep., 2007. [96] S. T. A. Clemotte, E. Vargas, “Zigbee target system running TinyOS,” in 15th International Power Electronics and Motion Control Conference, 2012. [97] j. B. J. Guevara, F. Barrero, E. Vargas y S. Toral, “Environmental wireless sensor network for road traffic applications,” IET Intelligent Transport Systems, vol. 6, no. 2, pp. 177–186, 2011. 72 Bibliografía [98] F. Barrero, J. A. Guevara, E. Vargas, S. Toral, y M. Vargas, “Networked transducers in intelligent transportation systems based on the IEEE 1451 standard,” Computer Standards and Interfaces, vol. 36, pp. 300–311, 2014. [99] Y. Zhang, L. Sun, H. Song, y X. Cao, “Ubiquitous WSN for Healthcare: Recent Advances and Future Prospects,” Internet of Things Journal, IEEE, vol. PP, p. 1, 2014. [100] A. Z. Abbasi, N. Islam, y Z. A. Shaikh, “A review of wireless sensors and networks’ applications in agriculture,” Computer Standards & Interfaces, vol. 36, no. 2, pp. 263–270, Feb. 2014. [101] A. Brokalakis, G. G. Mplemenos, K. Papadopoulos, y I. Papaefstathiou, “RESENSE: An innovative, reconfigurable, powerful and energy efficient WSN node,” in IEEE International Conference on Communications, 2011. [102] G. Giorgi, “ISO/IEC/IEEE 21451 Compliant Sensor Nodes for Energy-Aware Wireless Sensor Networks,” Sensors Journal, IEEE, vol. 15, no. 5, pp. 2488–2496, 2015. [103] H. Zangl, “TEDS Extensions Toward Energy Management of Wireless Transducers,” Sensors Journal, . . . , vol. 15, no. 5, pp. 2587–2594, 2015. [Online]. Available: http://ieeexplore.ieee.org/xpls/abs_all.jsp?arnumber=7009985 [104] R. Morello, “Use of TEDS to Improve Performances of Smart Biomedical Sensors and Instrumentation,” Sensors Journal, IEEE, vol. 15, no. 5, pp. 2497–2504, 2015. [Online]. Available: http://ieeexplore.ieee.org/xpls/abs_all.jsp?arnumber=6899594 [105] J. Guevara, E. Vargas, F. Brunetti, F. Barrero, y L. Aranda, “A framework for WSN using TinyOS and the IEEE1451 standard,” 2011 IEEE Third Latin-American Conference on Communications, pp. 1–5, Oct. 2011. [106] E. V. A. Fatecha J. Guevara, “Reconfigurable Architecture for Smart Sensor Node Based on IEEE 1451 Standard,” in IEEE Sensors 2013, 2013. [107] F. B. J. Guevara, E. Vargas, F. Barrero, “Open Architecture for WSN Motes Based on Runtime Reconfigurable Systems and the IEEE 1451 Family of Standards,” in IEEE Sensors 2013, 2013. 73 Bibliografía [108] F. B. J. Guevara, A. Fatecha, E. Vargas, “A Reconfigurable WSN Node based on ISO/IEEE 21451 Standard,” in International Instrumentation and Measurement Technology Conference, 2014. [109] A. F. J. Guevara, E. Vargas, F. Barrero, “Dynamically Reconfigurable WSN Node Based on ISO/IEC/IEEE 21451 TEDS,” IEEE Sensors Journal, vol. 15, no. 5, pp. 2567–2576, 2015. 74 Parte III PUBLICACIONES 75