DISEÑO Y DESPLIEGUE DE UNA RED INALÁMBRICA DE SENSORES COGNITIVA, ROBUSTA Y ESCALABLE

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Durante los últimos años se ha observado un notable incremento en la penetración de las redes inalámbricas en nuestra sociedad, teniendo previsiones de crecimiento bastante elevadas con la irrupción de Internet de las Cosas (IoT). Sin embargo, esta interconexión masiva desemboca en la aparición de problemas como son principalmente la saturación del espectro radioeléctrico o las interferencias provocadas entre sistemas, lo que repercute en la calidad del servicio y por lo tanto supone un problema para la conexión de elementos.

El B105 lab tiene como una de sus líneas principales de investigación el desarrollo de redes inalámbricas de sensores cognitivas (CWSN, Cognitive Wireless Sensor Networks), es decir, redes compuestas por dispositivos con la capacidad de modificar sus parámetros de comunicación dinámicamente, seleccionando las zonas del espectro con menos ruido e interferencias y por consiguiente, capaces de optimizar las prestaciones globales de la red.

Proyectos anteriores se centraron en el estudio de estos dispositivos, desarrollando la plataforma cNGD (cognitive New Generation Device). Se trata de un nodo que incluye la torre de protocolos de Microchip, que fue modificada para poder albergar tres transceptores radio, consiguiendo trabajar simultáneamente en las bandas de libre acceso de 434, 868 y 2400 MHz.

Plataforma cNGD sobre la que se ha trabajado
Plataforma cNGD sobre la que se ha trabajado

Este Trabajo Fin de Grado los adopta como base y se centra en diseñar e implementar distintas funcionalidades en la actual pila de protocolos, con el objetivo de conseguir interconectar varios cNGDs bajo un modelo de red de tipo malla fiable, robusto y escalable. Estos mecanismos se deben adaptar al tipo de dispositivo, el orden de su llegada a la red y a la frecuencia de trabajo.  Los principales requisitos que se han impuesto en el diseño de la red son:

  • Aceptar a todos los dispositivos que deseen incorporarse mientras la red disponga de capacidad para registrarlos.
  • Garantizar la unicidad en la asignación de la direcciones de red,  para posteriormente, poder realizar correctamente el encaminamiento de paquetes.
  • Que los coordinadores de red sepan reaccionar ante variaciones en la estructura de la red (principalmente conexión y desconexión de coordinadores).
  • Asegurar un máximo de 4 saltos en el encaminamiento de paquetes hasta alcanzar al destinatario.
  • Otros: Inclusión de mecanismos de fiabilidad en las transmisiones de mensajes, no inundar la red con la emisión de paquetes broadcast o informar a las capas superiores del éxito o fracaso en la realización de las operaciones.

Tras la etapa de implementación, modificación y adaptación del software del cNGD, se ha procedido a desplegar la red, midiendo y analizando los resultados obtenidos. Efectivamente, se han cumplido los requisitos impuestos, es decir, se ha conseguido la interconexión de varios cNGDs bajo un modelo de red robusto y fiable, que puede servir de soporte para futuras líneas de trabajo que se centren en las capas de aplicación o en la capa cognitiva del cNGD.

 

TFG: DESARROLLO DE UNA INTERFAZ INALÁMBRICA IEEE 802.11 PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE FUNCIONALIDADES DE UN NODO PASARELA PARA UNA RED INALÁMBRICA DE SENSORES COGNITIVA

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Las redes cognitivas de sensores, CWSN por sus siglas en inglés (Cognitive Wireless Sensor Network) son capaces de modificar sus parámetros de transmisión y recepción, adaptándose a las variaciones del entorno, permitiendo optimizar la comunicación. Estas redes son capaces, por ejemplo, de modificar la modulación, la velocidad de transmisión o la frecuencia de emisión, recurriendo a las bandas menos saturadas y por tanto, optimizando la comunicación. Estas redes además, suelen contar con numerosos sensores, algunos de ellos usados para obtener información del entorno y otros empleados en la propia optimización de la comunicación.

Como indica el título del proyecto, durante el mismo se ha trabajo en la mejora del banco de pruebas para redes inalámbricas de sensores cognitivas del B105, conocido como TestBed cNGD, donde cNGD  son las siglas de cognitive New Generation Device, nombre que reciben los nodos que conforman esta red cognitiva.

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Fotografía de un nodo cNGD

El proyecto se ha centrado en el diseño de un nodo pasarela, que permite una comunicación sencilla entre un ordenador y la CWSN, pudiendo obtener información de ésta. El diseño de este nodo se ha basado en el estándar IEEE 802.11 ya que está muy extendido y existen numerosos dispositivos que lo implementan.

Para diseñar este nodo pasarela, se ha recurrido a las cabeceras de expansión del cNGD, que permiten la colocación de distintos módulos que aumentan sus funcionalidades. Se ha creado, por tanto, un nuevo módulo Wi-Fi compatible con dichos pines. Durante este proyecto se ha realizado tanto el diseño del mismo como la implementación en circuito impreso.

Para que este módulo de expansión sea capaz de funcionar en los nodos, ha sido necesario crear software nuevo propio para el módulo, así como modificar el software del cNGD, añadiendo nuevas funciones, modificando las ya existentes y eliminado las que se han quedado obsoletas.

A día de hoy, aún faltan por realizar algunas pruebas, ¡¡pero la implementación parece ser todo un éxito!!

El módulo de expansión Wi-Fi es el que aparece al principio de esta publicación.

Para dotar a este nodo, y en general, a cualquier nodo de mayor movilidad, se ha realizado también el diseño e implementación de un sistema de carga de baterías de litio. Este módulo de expansión permite actualizar la antigua alimentación a pilas, a una basada en baterías de litio recargables, más cómoda y eficiente. Este sistema de carga, igual que ocurre con el módulo Wi-Fi, hace uso de los pines de expansión con los que cuenta el nodo. El módulo, es capaz de cargar la batería desde diferentes fuentes de alimentación y permite simultáneamente alimentación y carga. Este módulo se puede usar en cualquier nodo de la red sin que sean necesarias modificaciones.

Las pruebas para este módulo sí que se han realizado ya y se ha comportado según lo esperado, por lo que se puede dar por finalizado el mismo y realizar el montaje para que todos los nodos de la red dispongan de un cargador.


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Módulo de expansión cargador de baterías

 

TFG: Desarrollo de interfaces de comunicación para un nodo pasarela de redes de sensores cognitivas

Placas

En este post voy a hablar de mi trabajo de fin de grado que se titula desarrollo de interfaces de comunicación para un nodo pasarela de redes de sensores cognitivas. Este trabajo está enmarcado dentro del banco de pruebas para redes de sensores cognitivas, que se está desarrollando dentro del grupo de investigación B-105. Dentro de este grupo de investigación también se ha realizado la plataforma cNGD, que será la base desde la que parte este trabajo. El objetivo es desarrollar un nodo pasarela que facilite la interacción con el banco de pruebas. Esto quiere decir, que tanto programar los nodos de la red como obtener información de ellos se pueda realizar conectando un ordenador al nodo pasarela.

Esquema

Se eligió utilizar wifi y Ethernet como interfaces de comunicación para el nodo pasarela. El siguiente paso fue realizar las placas de expansión. Para ello se utilizó el programa Altium Designer tanto para los esquemáticos como para los trazados de las placas. Posteriormente se montaron y soldaron los componentes de las placas de expansión wifi.

Nodos

A nivel software se integró una torre de protocolos TCP/IP y se desarrolló una aplicación que permitiese realizar las funciones de pasarela. La torre de protocolos TCP/IP la proporciona la empresa Microchip y debido a su complejidad, el proceso de integración ha sido largo. Con la aplicación de funciones pasarela, se consigue enviar instrucciones a los nodos de la red CWSN y recibir datos de los mismos.

Como línea futura para este trabajo, queda terminar la soldadura de la placa ethernet y corregir los fallos de inicialización que han aparecido durante las pruebas. Esto se conseguirá en un futuro no muy lejano porque failure is not an option.

Despliegue de un banco de pruebas para CWSN

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El objetivo de este Proyecto Fin de Carrera es el despliegue de un banco de pruebas para una red de sensores cognitiva (CWSN). Esta red contará con varios nodos cognitivos que permitirán la prueba de estrategias de optimización en este tipo de redes. Este banco de pruebas se realizará contando con una serie de nodos cognitivos previamente desarrollados en el laboratorio (cNGD) sobre el que se han hecho varios desarrollos software para adaptar tanto el protocolo de comunicación radio como la arquitectura cognitiva.

El despliegue del banco de pruebas cubrirá todas las salas permitidas del laboratorio B105 y el Departamento de Ingeniería Electrónica. Este proyecto abarca tanto la planificación del montaje físico de los nodos como el desarrollo de una interfaz para la gestión y recolección de información del banco de pruebas. Algunos parámetros a tener en cuenta serán el alcance de los nodos, su accesibilidad o la fuente de alimentación.

Tecnologías relacionadas

  • Cognitive Radio
  • Wireless Sensor Networks
  • Linux
  • C
  • Diseño Hardware

Tutor

Javier Blesa <jblesa@die.upm.es>
Elena Romero <elena@die.upm.es>

Status

Sin asignar