Estancia de doctorado en el CONNECT – Centre for Future Networks and Communications

Como parte de su doctorado, nuestro compañero Ramiro Utrilla acaba de comenzar una estancia de investigación en el CONNECT – Centre for Future Networks and Communications. Este centro de investigación, financiado por la Science Foundation Ireland y el Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER), está constituido por miembros de las principales universidades de Irlanda y centra su actividad en el desarrollo, innovación e investigación de las telecomunicaciones.

Durante los 3-4 meses que dure la estancia, Ramiro estará trabajando en el grupo del Prof. Luiz Da Silva. Una de las líneas principales de investigación de este grupo es la aplicación de Inteligencia Artificial y Machine Learning al ámbito de las comunicaciones.

El objetivo de esta colaboración consiste en abordar el problema de la saturación del espectro, y la coexistencia de los dispositivos que operan en él, desde el punto de vista de los nodos finales, aquellos con más bajos recursos computacionales y energéticos. Para ello, es necesario trasladar el paradigma de la Radio Cognitiva a las características específicas de este tipo de sistemas.

En concreto, la primera aproximación consistirá en adaptar y evaluar técnicas de sensado espectral basadas redes neuronales a MIGOU, la plataforma de Radio Definida por Software de bajo consumo desarrollada por Ramiro durante la primera etapa de su tesis.

Estamos muy ilusionados con esta colaboración entre el CONNECT y el B105 ya que consideramos que su conocimiento en Inteligencia Artificial junto con nuestras capacidades técnicas de implementación pueden dar resultados muy interesantes y novedosos.

¡Os seguiremos informando!

TFM: Development of a protocol for the wireless communication of monitoring data for real- time representation

With the development of the IoT, the number of devices of different nature and size
that are distributed throughout the environment has increased enormously, generating data
continuously. These data can often be processed where we generate them. However
sometimes we can not have enough computing power to do it or we want to access them
remotely to see the correct functioning of a system or for example to store them in a
database.
With this background it makes necessary to develop an electronic system that can be
conected in an easy way to the place where we are generating the information and transport it
to our central node. For our particular case, we aspire to establish a real time stream in order
to represent the data in a graphic, in order to give to the user a proper view of the
performance of his sensor node.
We have developed a WIFI gateway that allows this automation that we have
explained. We have used the Zentri AMW 106, an ultralow consumption WIFI module who fits
perfect in our requirements. We can attach via serial (using UART) to our electronic system to
the module where we generate the data and creating a TCP-IP client send to our server
wirelessly.
We have also made an effort in develop an user friendly application in the server side.

This application has the ability of representing the data we are sending in real time and at the
same time to store in a file having a register. This register can be accessed to consult the
values obtained in a certain time.

PFC: Analysis and Design of a Control and Management System of the Integrity and Load of Trains in the Underground Work based on a Wireless Sensor Network (WSN)

Building or remodelling large underground areas, such as tunnels, are very complex
projects where there are some very specific needs and dangers.
Historically it has been considered that tunnels were dangerous places and therefore it
was inevitable that fatal accidents took place during construction works. In fact, there
have been many casualties in tunnels under construction. However, nowadays, tunnel
safety is an essential aspect all over the European countries and particularly, in Spain.
Also, it is equally important the construction work management during construction
phase: effective management of resources (workers, raw materials, tools, etc.) within
the tunnel and the machinery involved, with the ultimate goal to improve the
effectiveness and efficiency of the construction site. Most of the mentioned resources
are moved by trains, due to their great ability to transport huge amount of materials
using less time/effort.

 

Many of the measures taken in tunnels, and particularly on trains dedicated to this kind of works, are done manually and with the constant intervention of operators and maintenance personnel which may, in some cases, lead to errors, planning delays and as a result, to increase the final cost of the work. In the case of traffic control and railway equipment inside tunnels, mechanisms for monitoring and management are scarce and usually insufficient for proper operation; these environmental, structural and traffic control mechanisms, become critical during indoors construction work.

Therefore it is necessary the development of a system able to: firstly, immediately detect any problem in the train or in the tunnel infrastructure, react quickly and mitigate effectively the possible consequences; and secondly, able to manage train traffic, detecting at all times the position of each train or other machinery(such as trucks) accurately and safely. The system shall manage and act effectively and quickly with all those measures, parameters and location coordinates.

The first objective of this project was to provide key solutions for wireless seamless connectivity and interoperability in rail tunnel infrastructures by considering everyday physical environments of trains which will significantly contribute to decrease incidents and accidents at work, as well as to the optimization of the works of the rail machinery in terms of time, project costs and operation and maintenance of the equipment and facilities.

As a result of the project, it was implemented a prototype capable of managing freight trains at construction work sites, able to prevent disasters and accidents at building (or refurbishment) stage in large underground areas such as tunnels.

The solution designed and developed is able to reduce the effort and time required for integrating WSN solutions and services into tunnel works, railway safety-related and multipurpose systems, and to reduce maintenance costs of on-board WSN services by providing a single general integration indoor platform for wireless sensors and wireless communication services, with centralized and standard interfaces for existing systems.

How to deploy a Node-Red environment on a GCP instance

Son numerosos los tutoriales en Internet que explican cómo montar un servidor Node-RED sobre GCP haciendo uso de clústers. Sin embargo cuesta encontrar (si es que los hay), tutoriales sobre como desplegar dicho servidor en una instancia, por lo que en este tutorial, nos centraremos en este caso. ¿Te suena a chino todo lo que hemos dicho? ¿Por qué montarlo sobre una instancia y no un clúster? Expliquemos brevemente los conceptos más raros de la frases anteriores para entendernos mejor.

  • Node-RED: es una herramienta de programación, de libre distribución, la cual nos permite de una forma rápida, y sobretodo muy intuitiva, desplegar una web con un estilo moderno y funcional. Node-RED hace uso de la programación “en cajas”, en la cual interconectamos distintos bloques ya pre hechos de las librerías disponibles. Node-RED usa Javascript y permite introducir bloques con nuestro propio código, pero para las tareas más sencillas no será siquiera necesario saber Javascript. Un ejemplo de un desarrollo simple en Node-RED sería el siguiente:

node_red_example

Node-RED permite además añadir librerías creadas por usuarios, siendo la librería “dashboard” una de las más populares, pues incorpora cajas con elementos visuales que permiten la interacción con el usuario así como la visualización de datos. Un ejemplo de ello:

maxresdefault

¿Fácil, verdad? Quien diría viendo esa web que se ha hecho sin necesidad de saber ningún lenguaje, solo juntando las cajas correctas. Existen otras opciones, como thingsboard.io, pero para gustos los colores, además de no ser la mayoría gratuitas (o tener planes gratuitos muy limitados). Nosotros preferimos Node-RED porque integra soporte para comunicaciones por UDP, TCP y el reciente MQTT, lo que permite comunicaciones con cualquier tipo de dispositivo, especialmente con dispositivos IoT. Además, la comunidad de desarrolladores es enorme y podemos encontrar muchos ejemplos ya hechos para su libre distribución, siendo estos ejemplos a veces, justo lo que buscamos.

Tenemos muchas formas de ejecutar Node-RED, en nuestro PC (esto es corriendo en un servidor local), en páginas que ponen a nuestra disposición servidores ya montados y listos para empezar a trabajar (FRED) o en servidores virtuales privados (VPS) de los cuales hay cientos de ofertas en Internet (aunque destacan por su catálogo y precios Microsoft Azure, Amazon Web Services [AWS] y Google Cloud Platform [GCP]). Las ventajas de ejecutar nuestro entorno en un VPS frente a nuestro ordenador o un entorno ya hecho (y cerrado) son inmensas: disponibilidad total, herramientas de protección, escalabilidad, no compromiso de nuestros datos privados, gestión de recursos… y esas son solo alguna de ellas.

  • Google Cloud Platform: es uno de los tantos servicios de gestión de VPS que hay hoy en día. Si bien es cierto que uno de los que más fuerza tiene es AWS, Google ofrece algo que no ofrece el resto: un servidor gratuito al año con 24/7 en ejecución. Vale que es un servidor muy modestito (10 GB de almacenamiento; 0.6 GB de RAM y un único procesador), pero es gratis y para diseños simples puede ser más que suficiente. Es por esto que nos centraremos en este gestor VPS en este tutorial.
  • Instancia vs. cluster: Google denomina a cada uno de los VPS que creamos instancia. Un grupo de instancias trabajando de forma conjunta, compartiendo recursos y distribuyéndose el tráfico de red entre ellas forma un clúster. Claro, a priori parece que el clúster es mejor (y lo es), pero no es gratis. La instancia, sin embargo, sí. Siempre y cuando esa instancia sea de las más simples de Google, como ya hemos comentado antes.

Ahora que ya hemos explicado todo un poco, relee si quieres el primer párrafo del post. Ahora ya parece obvio por qué queremos desplegar Node-RED (y no otro) sobre una instancia (y no un clúster), porque…

free

 

Empecemos…

Lo primero, lógicamente, es tener una cuenta de Google activa. Nos dirigiremos a la consola de Google Cloud y activaremos nuestra cuenta, registrándonos en la versión de prueba gratuita.  Solo por registrarnos Google nos regala 300 $ en servicios GCP. Para nuestros propósitos no nos harán falta, pero nos vendrán genial si queremos cacharrear con todas las opciones que GCP ofrece. Completaremos todos nuestros datos (incluida la tarjeta de crédito, pero no pasa nada: Google nos avisará previamente en caso de que hiciéramos algo que incurriera en un desembolso). Tras registrarnos se nos creará nuestro primer proyecto (que podremos renombrar si queremos pinchando en configuración de proyecto).

En el buscador escribimos Compute Engine y en la nueva ventana, una vez cargue, creamos una nueva instancia, con la configuración que vemos en la siguiente imagen:

g1
La zona da igual siempre que sea en América (salvo Virginia del Norte). América es la única región con VPS gratuitas. El tipo de máquina ha de ser micro y permitir el tráfico HTTP y HTTPS. Nosotros hemos elegido Ubuntu por familiaridad con los comandos, pero cualquier otra distribución de las gratuitas que ofrece Google es válida. Notad que para saber que estáis siguiendo los pasos correctos, debe apareceros el texto de la derecha donde os informa de que la máquina seleccionada es gratuita. Pulsamos en crear y esperamos.

Una vez creada, hay diferentes cosas que sería interesante hacer antes de empezar a cacharrear (asignarnos una IP estática y abrir algunos puertos).

-Asignando IP estática podremos entrar en nuestro servidor sin necesidad de consultar qué IP nos ha concedido Google esta vez: siempre será la misma. Para ello escribimos Red de VPC en el buscador y entraremos en la sección del menú lateral izquierdo “Direcciones IP externas”. Seleccionaremos nuestra instancia y cambiaremos su tipo a estática. Le ponemos un nombre identificativo a esta IP y aceptamos.

-Abriendo puertos (bien sea TCP o UDP) permitiremos un acceso remoto a nuestro servidor. Hay que notar que esto es un arma de doble filo, pues si bien no podemos hacer mucho sin tener acceso a nuestro servidor remoto también es una puerta abierta a hackers, por lo que recomendamos abrir solamente los puertos que vayamos a necesitar. En nuestro caso será obligatorio abrir el puerto TCP 1880, pues será el que usará Node-RED tanto para la interfaz de diseño (donde colocaremos las cajitas) como para la interfaz web (donde nos mostrará el resultado de colocar y conexionar esas cajitas). Para ellos tecleamos en el buscador “Reglas de cortafuegos” y elegimos la opción que lleve también escrito Red de VPC.

Creamos una regla nueva:allowtcp

 

El nombre es opcional, todo lo demás, recomiendo dejarlo a esos valores. Cuando cojáis más soltura con GCP os recomiendo etiquetar vuestras distintas instancias para poder elegir destinos de reglas del cortafuegos y así que cada máquina tenga abiertos los puertos que necesita. Por ahora, y como solo tenemos una máquina creada, no pasa nada por aplicar en el campo destinos “todas las instancias de la red”. Guardamos y ya estaremos listos para empezar la instalación de Node-RED sobre nuestro VPS.

Volvemos a la vista de Compute Engine, donde estará nuestra instancia. En el campo “Conectar” pulsamos sobre SSH. Se nos abrirá una ventana nueva y cuando cargue ya estaremos dentro de nuestro VPS.

Para poder empezar a trabajar, tecleamos los siguientes comandos:

Nótese que entre los comandos, se instalará nodejs. En nuestro caso hemos instalado la versión 8.x por ser la recomendada en el momento de realizar este tutorial, pero se aconseja mirar en la página de nodejs cual es la última versión recomendada. Escribimos ahora el comando que instalará Node-RED en nuestro VPS.

Es también interesante instalar algunas herramientas de node-red que nos harán más fácil la gestión de nuestro servidor, por lo que teclearemos:

Después de esto ya podemos probar que Node-RED está correctamente instalado. Para ellos tecleamos:

Lo que debería arrojar en el terminal una salida que acaba con:

Esto es indicativo de que todo está correcto. ¡Probémoslo! Escribamos en nuestra barra del navegador la IP estática concedida por Google (sin http ni https delante seguida del puerto de acceso a Node-RED, separado por dos puntos “:”), algo así como 123.123.123.123:1880. Deberíamos ver esto:

node-red1

 

¡Todo funciona! Sin embargo esto presenta un enorme, enorme inconveniente: cualquiera que sepa nuestra IP puede acceder a nuestro servidor Node-RED y borrarnos todo el trabajo o inyectar código malicioso. Por ello, el siguiente paso, de vital importancia, es proteger nuestro servidor. Volviendo a la terminal abierta por SSH, pulsamos ctrl+C para parar la ejecución de Node-RED y escribiremos:

Lo que nos preguntará por la contraseña con la que deseamos proteger el servidor. Tras escribirla y pulsar intro, nos devolverá una secuencia hash con nuestra contraseña encriptada, que deberemos copiar, pues usaremos ahora. Escribiremos sobre el archivo de configuración de Node-RED. En el terminal tecleamos:

y dentro de este archivo buscaremos el siguiente texto:

adminAuth: {
type: “credentials”,
users: [{
username: “USUARIO“,
password: “HASH_GENERADO“,
permissions: “*”
}]
},

// To password protect the node-defined HTTP endpoints (httpNodeRoot), or
// the static content (httpStatic), the following properties can be used.
// The pass field is a bcrypt hash of the password.
// See http://nodered.org/docs/security.html#generating-the-password-hash
httpNodeAuth: {user:”USUARIO“,pass:”HASH_GENERADO“},
httpStaticAuth: {user:”USUARIO“,pass:”HASH_GENERADO“},

En usuario escribiremos el usuario que queramos, y en los campos password y pass, el hash generado anteriormente. La primera parte protegerá la parte de gestión (donde colocamos las cajitas), la segunda, la parte de visualización (la web que crean las cajitas). Es importante descomentar las lineas necesarias (esto es, eliminar los caracteres “//” con los que empiezan algunas lineas), para que el resultado quede tal y como hemos puesto arriba. Guardamos con CTRL+O y salimos con CTRL+X.

Por último, será interesante que nuestro servidor cargue automáticamente Node-RED cuando se reinicie, lo que hará más tolerante a fallos nuestra implementación. Para ello, escribimos:

Que nos indicará nuestro nombre de usuario. A continuación:

donde copiaremos el siguiente texto:

[Unit]
Description=Node-RED
After=syslog.target network.target

[Service]
ExecStart=/usr/bin/node-red
Restart=on-failure
KillSignal=SIGINT

# log output to syslog as ‘node-red’
SyslogIdentifier=node-red
StandardOutput=syslog

# non-root user to run as
WorkingDirectory=/home/TUUSUARIO/
User=TUUSUARIO
Group=TUUSUARIO

[Install]
WantedBy=multi-user.target

Hay que modificar solo los campos en rojo. Nuevamente, guardamos con CTRL+O y salimos con CTRL+X. Activamos el servicio creado escribiendo:

Comprobaremos que todo se haya hecho correctamente. Para ello primero es necesario reiniciar, por lo que escribimos:

Y tras esperar unos dos minutos, cargamos de nuevo la página con la IP del servidor en nuestro navegador. Ahora, al cargar node-RED debería pedirnos login, tanto a la parte de gestión como a la de visualización.

¡Eso es todo por nuestra parte! Ahora, a jugar.

TFM: DESIGN AND IMPLEMENTATION OF NODES FOR CONTINUOUS MONITORING OF STRUCTURES BASED ON MEMS ACCELEROMETERS AND POWERED BY SOLAR ENERGY

Monitoring of large structures, such as buildings or bridges, is a very important task and must be done constantly, due to the danger that can lead to a sudden failure of these. These failures can cause a large number of damages, not only material, but also human losses.

This project aims to design and implement a system that is capable of monitoring the vibrations of a certain place and must also be energetically self-sufficient. For this, the main purpose is to implement a node of this type based on a MEMS accelerometer and powered by solar energy and batteries. The developed monitoring node must be a low power system because it must be able to work autonomously for long periods of time. This will be achieved through the implementation of a power system based on an external battery recharged by solar energy. For the measurement part, accelerometer data will be collected every so often and stored on an SD card for later reference.

The B105 Laboratory has several types of PCBs that have different modules needed to carry out this project (accelerometers, battery management, SD card …). For the development of the hardware it was decided to take advantage of the PCBs already designed. The modules and components to be used were chosen and subsequently welded with two different techniques: manual and by oven.

The software was programmed in C language and it was decided to perform 3 different implementations: first, software was designed on bare machine to check the correct functioning of the measurement module; Later software with operating system was developed to optimize the performance of the system; Finally, tests were performed measuring vibrations with the accelerometer and stored on the SD card to obtain final results and conclusions.