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Redes de vehículos con WSN: dispositivos y protocolos

Vanet

Como comentamos en el anterior artículo de esta serie, los dispositivos básicos que forman una red de vehículos son las Roadside Units (RSUs) y las On Board Units (OBUs). Estos dispositivos cuentan con los protocolos de comunicaciones programados para poder crear una red. Actualemente no existe una gran variedad de fabricantes o modelos. Entre los fabricantes de RSUs encontramos algunas empresas como Arada, NXP o Cohda. Debido a la escasez de empresas fabricantes, a los pocos proyectos pilotos y a lo cerrado de los protocolos, el precio de estas unidades se ha disparado. Lo mismo ocurre con las unidades OBU. De estas últimas ha sido aun más difícil encontrar información debido a la opacidad de las empresas del sector automovilístico. Sin embargo, hace poco salió a la luz una nuava tarjte apara estas OBU de la marca Nvidia, la Drive PX Pegasus, de la que podemos ver sus características.

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El alto coste de estos dispositivos es uno de los mayores problemas para el desarrollo a gran escala de redes vehiculares. Sin embargo, frente a esta limitación encontramos el primer nicho en el que las WSNs podrían tener cabida en estas redes de vehículos.

Todos estos dispositivos necesitan un protocolo de comunicaciones para poder ejecutar sus funciones. Dentro de todos los protocolos que se llevan implementando desde hace más de 15 años, el protocolo WAVE, wireless access in vehicular environments, es el que se está imponiendo. En realidad el protocolo WAVE, está formado por el estándar 802.11p, que define las capas física y de acceso al medio, y el protocolo 1609 que define las capas superiores. Como resumen simplificado el protocolo WAVE, pensado específicamente para las redes vehiculares, afronta varias características limitantes como son:

  • Coberturas de hasta 1000 metros
  • La alta velocidad de los vehículos
  • Entornos muticamino
  • Múltiples redes solapadas en el espacio con una gran calidad de servicio
  • La naturaleza de las aplicaciones
  • Un tipo de mensaje específico

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Con estos requisitos, se ha dotado al protocolo WAVE de las siguientes características:

  • Canales de 10 MHz, que pueden transmitir la mitad de información que WiFi
  • Hay 6 canales de servicios (SCH) y uno más de control (CCH)
  • Modo único Ad Hoc
  • Direcciones MAC aleatrorias
  • Gran precisión de la señal RSSI
  • Modulación 16 QAM para entornos de movilidad
  • Control de prioridades
  • Control de potencia

Con los dispositivos previamente mostrados y con el protocolo WAVE se pueden conseguir implementar VANETs. Sim embargo, como hemos comentado su coste ha limitado el desarrollo de más prototipos. Pero no solo el coste es la limitación. Otros problemas, que veremos en el siguiente artículo, deben ser resueltos para que las VANETs sean realidad.

El eSpMART105 toma forma

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Dentro de la colaboración del B105 ESL con la empresa Valoriza nace el proyecto Lázaro, con el objetivo de crear un sistema para la detección automática de barreras usando visión por ordenador y realidad aumentada.

Además de este primer objetivo, el proyecto persigue otra importante meta, el desarrollo de una red de sensores inalámbrica para monitorizar las condiciones de vida de personas con necesidades especiales, como ancianos o personas con minusvalía.

Es dentro de este segundo objetivo donde nace nuestro wearable: eSpMART105.

El dispositivo que hemos desarrollado es una pulsera, capaz de medir la temperatura (ya sea ambiente o corporal del paciente), medir su ritmo cardíaco, su saturación de oxígeno y monitorizar su actividad diaria, detectando posibles caídas y avisando al personal que se encuentre a cargo de dicho paciente.

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Pulsera eSpMART105

Gracias a una aplicación móvil para Android, también desarrollada por nosotros, el personal sanitario puede en todo momento consultar el estado del paciente, ver un registro de sus últimas medidas, así como cambiar la periodicidad de las mismas, consultar su historial clínico, recibir alertas sobre posibles valores anómalos en el paciente o caídas y administrar, sencillamente desde el móvil, a todos los pacientes de la residencia.

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Una de las vistas de la aplicación

La comunicación entre la pulsera y el móvil se realiza mediante Bluetooth Low Energy, el más actual de los estándares Bluetooth disponibles.

Además, en caso de que se detecte un evento de gran peligrosidad como una caída o un pulso anormalmente alto, la pulsera es capaz de realizar una búsqueda exhaustiva de puntos de acceso Wi-Fi almacenados en su base de datos y establecer conexión con ellos, enviando el aviso. Esto hace a nuestra solución capaz de comunicarse con dos de las tecnologías inalámbricas más ampliamente usadas en el mercado actual. Todo ello con un consumo muy bajo, que permite a la pulsera (dependiendo de los intervalos de medición de parámetros del paciente) una vida de hasta dos semanas. Para el desarrollo de esta pulsera nos hemos basado en el ESP32, un dispositivo genial para desarrollo debido a su integración en un reducido tamaño de Wi-Fi y Bluetooth, así como numerosos GPIO’s, I2C, SPI, UART, control para pantallas táctiles y mucho más.

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ESP32

La caja de la pulsera, así como su correa es también diseño nuestro. Ha sido impreso en material 3D, recurriendo a filamento rígido transparente para la caja, pues la rigidez de este material aporta robustez mecánica al diseño, y material blanco flexible para la correa, compuesto que la hace más cómoda de llevar.

Paralelo a este desarrollo hemos recurrido a relojes de la marca Pebble, que permiten programar aplicaciones en C e incorporan también comunicación Bluetooth y sensor de ritmo cardíaco. Gracias a este reloj podemos obtener datos nuevos del paciente como su nivel de actividad, sus pasos diarios y una segunda medición de ritmo cardíaco, que aporta robustez a la medida de nuestro sistema. Los datos que recoge esta otra pulsera son también enviados a la misma aplicación de Android, quedando por tanto, toda la información del paciente centralizada.

Redes de vehículos con WSN: Introducción

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La creciente infraestructura de transportes por carretera y el creciente número de vehículos en las ciudades y autopistas está provocando ciertos problemas de control, seguridad y saturación que tienen que ser atajados. Una de las soluciones más prometedoras y que se está imponiendo son las redes vehiculares. Estas redes engloban varios términos muy conocidos actualmente como Vehicular AdHoc Network (VANET) o Intelligent Transport System (ITS). Las redes vehiculares son una de las tecnologías más importantes para implementar aplicaciones relacionadas con vehículos, tráfico, pasajeros y peatones. Las aplicaciones van desde el control inteligente de los semáforos hasta la detección de accidentes en carreteras interurbanas. Para realizar esto, hay varios elementos en el sistema, que se muestran en la siguiente figura.

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Existen dos dispositivos básicos en la red: las Road Side Units (RSUs) y las On Board Units (OBUs). Las RSUs son unidades situadas en el entorno de la carretera que sirven como infraestructura de apoyo a las comunicaciones y también pueden tener funciones de control y actuación. Las OBUs son unidades embarcadas dentro de los vehículos que permiten compartir la información del mismo con el resto del sistema. Las comunicaciones entre vehículos de denominan V2V y las comunicaciones entre vehículo e infraestructura se llaman V2I. Aparte de estos dos elementos básicos, pueden existir otros elementos para soporte de comunicaciones, seguridad y control.

El laboratorio B105 ha trabajado en varios proyectos relacionados con las redes VANETs, como Easysafe, Sensoriza o All in One. En todos estos proyectos las redes de sensores inalámbricas (WSNs) juegan una parte muy importante debido a sus características. En el futuro se espera que esta linea de desarrollo e investigación siga siendo cada vez más importante.

En los próximos artículos de esta sección comentaremos mejor estas redes, sus protocolos, sus retos y el por qué las WSNs pueden ser un gran complemento a los desarrollos actuales.

[1] H. Hartenstein and K. P. Laberteaux, “A tutorial survey on vehicular ad hoc networks,” IEEE Commun. Mag., vol. 46, no. 6, pp. 164–171, Jun. 2008.
[2] G. Karagiannis, O. Altintas, E. Ekici, G. Heijenk, B. Jarupan, K. Lin, and T. Weil, “Vehicular networking: A survey and tutorial on requirements, architectures, challenges, standards and solutions,” IEEE Commun. Surv. Tutorials, vol. 13, no. 4, pp. 584–616, 2011.

Obtención de indicadores de fatiga mediante el electroencefalograma.

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Desde el proyecto Simbiosys, buscamos nuevas formas de detección de fatiga. Puesto que el sistema está destinado a ser usado en un simulador para conductores de vehículos, se busca que sea lo menos intrusivo posible, para facilitar el movimiento y comodidad del conductor.

Con este fin se está desarrollando un sistema multisensor con una parte importante de investigación como es la detección de distintos estados de fatiga mediante la actividad cerebral del conductor.

Para la obtención del electroencefalograma (EEG) se eligió un casco con un único electrodo, ya que los EEG convencionales presentan más de veinte electrodos, lo cual sería muy intrusivo para el conductor.

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Tras la obtención de la señal en bruto del cerebro, el sistema se basa en la detección de la cantidad de energía que existe en las diferentes bandas del cerebro. En este caso las bandas de interés serán la banda alpha, betha y tetha, todas ellas relacionadas con estados de cansancio, fatiga o sueño.

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El sistema consta de dos partes diferenciadas, basadas en machine learning. En la primera parte se obtiene las características – la energía de cada banda- del sujeto en estado de consciencia (no fatigado) para formar dos clústeres.
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El objetivo es generar dos esferas que engloben todas las características en este estado, de tal forma que, si en la segunda parte del algoritmo se obtiene alguna característica que no pertenece a los clústeres, se considera una anomalía. Será la acumulación de anomalías durante un periodo de tiempo la que nos indique la presencia de fatiga en el sujeto.

 

Empezando a trabajar con NB-IoT

NB-IoT

Dentro del proyecto Sensoriza desde el grupo B105 hemos empezado a trabajar por primera vez con la tecnología Narrowband-IoT (NB-IoT).

NB-IoT es un estándar promovido por 3GPP que reutiliza una pequeña parte del espectro LTE. Por tanto, con un pequeño cambio en las estaciones base, proporciona el mismo alcance geográfico que la tecnología móvil 4G actual. La conectividad que proporciona es de muy bajo ancho de banda y baja tasa de datos, a la vez que ofrece una cobertura muy profunda llegando a lugares subterráneos o zonas rurales remotas. Por lo tanto está especialmente diseñada para dispositivos autónomos del mundo del internet de las cosas, como contadores inteligentes, alarmas, agricultura conectada, etc.

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Nuestro objetivo es dotar a las máquinas de conservación y mantenimiento de carreteras de un módulo NB-IoT mediante el que puedan transmitir la información recogida por sus sensores ambientales a un centro de control. Utilizando esta tecnología tendremos conectividad desde las carreteras de montaña remotas donde se realizan la mayor parte de actuaciones de vialidad invernal, lo que hasta ahora no era posible.

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Como pasos iniciales estamos trabajando con dos módulos de dos fabricantes diferentes. En primer lugar tenemos un módulo BC95 de Quectel, que nos ha facilitado su distribuidor en España Monolitic. Por otro lado estamos utilizando una plataforma basada en Arduino que incorpora un módulo SARA-N211 de u-blox. Vodafone, que es la principal compañía telefónica que está implantando la tecnología NB-IoT en España, nos ha proporcionado dos tarjetas SIM para hacer pruebas de conexión con su red.

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ROBIM: Autonomous robots to inspect and evaluate buildings with BIM integration

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The main challenges to overcome in building rehabilitation refer to the use of inefficient traditional techniques and processes as well as to the lack of updated qualitative and quantitative building information. Additionally, building surroundings and facades usually include vulnerable and geometrically complex elements that jeopardize a direct access to them for rehabilitation purposes. This is a critical aspect as the energetic behavior of a building is intimately related to its design and the materials used, hence when materials become functionally or energetically obsolescent, rehabilitation is absolutely necessary so to achieve a minimum energetic efficiency.

In this context, the main objective of the ROBIM project is to develop an automated robotic system that eases the acquisition of detailed and representative information about the state of conservation and composition of enclosures of the building. This system will allow to cut costs
regarding auxiliary equipment used in order to safely access to surroundings of the building, applying state-of-the-art non-destructive inspection techniques and integrating all the information obtained in a digital platform based in BIM methodology. Hence, it will be developed a global solution capable to successfully diagnose the state of a building and provide information in order to effectively decide the typology and scope of the rehabilitation tasks to be performed.

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Title: ROBIM –  ROBÓTICA AUTÓNOMA PARA INSPECCIÓN Y EVALUACIÓN DE EDIFICIOS EXISTENTES CON INTEGRACIÓN BIM
Duration: November 201 – October 2020
Partners: EUROESTUDIOS, S.L; FCC CONSTRUCCIÓN, S.A; GEOTECNIA Y CIMIENTOS, S.A; INSYTE, S.A; IMATIA INNOVATION, S.L; IBIM BUILDING TWICE, S.L; UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID (giSCI y B105 – ESL); UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE VALÈNCIA; UNIVERSIDAD DE VIGO;  ITAINNOVA.
Financing entity: Programa Estratégico de Consorcios de Investigación Empresarial Nacional (CIEN) – Centro para el Desarrollo Tecnológico Industrial (CDTI)

More information:
Project info
UPM info 
Kickoff meeting     

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Development of a network of devices connected through the LIN (Local Interconnect network) bus.

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The communication among a high number of electronic devices creates several troubles. The most common being: latency, data errors and high development cost. This lead to the creation of device networks, which objective is to link many devices using as few conductors as possible. This new network should fulfill some requirements such as; efficiency, low cost, and robustness. The need of satisfying such requirements gave place to the construction of the bus of communication. Generally, the automotive industry uses CAN (Controller Area Network), LIN (Local Interconnected network) and FlexRay buses to connect their devices. Each of them are used for a specific application inside of the automobile. The efficient performance of this buses has allowed different industries to incorporate them to their systems. Nowadays CAN and LIN are used in domotic systems, medical equipment, automatization factories, navy electronic, industrial machines control, among others. Moreover, many projects are development in the B105 Electronic Systems Lab where it is necessary to link different actuators and sensors because of this, it has been decided to implement a LIN network.

The Project was composed of a master node and two slaves nodes that interact with each other. The discovery kit STM32F411E DISCO was used to implement the master and the slave node. Finally, the other devices the discovery kit STM32F411E DISCO possess like the diodes led (actuators) and the accelerometers (sensors) were used for the working demonstration.