TFG: DESARROLLO DE UNA APLICACIÓN ANDROID PARA EL CONTROL Y GESTIÓN DE UNA RED INALÁMBRICA DE SENSORES

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Las redes inalámbricas de sensores están experimentando un crecimiento en los últimos años, debido a la necesidad cada vez más frecuente de obtener datos de nuestro entorno. Estas redes, al estar enfocadas al bajo consumo, y por tanto muy limitadas en recursos, no tienen una forma sencilla de mostrar sus datos al usuario. Esto provoca la necesidad de una interfaz de usuario cómoda para el manejo de las redes de sensores.

En un anterior proyecto, aplicado a la red de sensores de Prometeo (proyecto finalizado hace varios años, que ayuda a la prevención de incendios forestales) se solucionó este problema desarrollando una pasarela de comunicaciones entre la red y un smartphone. Esta fue una buena solución, ya que la mayoría de las personas llevan un móvil encima, y la red de sensores de Prometeo utiliza radiofrecuencia en sus telecomunicaciones, no accesible por los teléfonos móviles. La pasarela se podía comunicar con la red de sensores por radiofrecuencia, además de disponer de un puerto USB para la comunicación con un dispositivo Android.

Este proyecto parte de las limitaciones que presenta el anterior: la aplicación utilizada era algo inestable e implementaba un protocolo antiguo de la red de Prometeo. Se desarrolla en este proyecto una nueva aplicación Android con un diseño fuertemente modular y flexible para su posible uso en otras redes de sensores. Además, se ha rediseñado la anterior pasarela para que permita una comunicación Bluetooth Low Energy (BLE) en vez de USB.

El desarrollo de este proyecto, después del estudio de las tecnologías a usar, ha tenido lugar a través de los siguientes pasos generales:

  • Diseño y desarrollo de una aplicación Android que permita una conexión USB implementando el nuevo protocolo de Prometeo.
  • Desarrollo de un emulador de la pasarela del anterior proyecto, para que implemente el nuevo protocolo de Prometeo y permita probar la aplicación.
  • Rediseño de la anterior pasarela para que implemente BLE, con su posterior soldadura de componentes y programación del microcontrolador.
  • Dotación de la aplicación Android con la posibilidad de conectarse mediante BLE con la nueva pasarela diseñada.

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.

TFG: Diseño e implementación de una pasarela de comunicaciones entre un teléfono móvil inteligente y una red de sensores inalámbricos

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El objetivo de este Trabajo Fin de Grado es el diseño e implementación de una pasarela de comunicaciones entre un teléfono móvil inteligente y una WSN. Esta pasarela de comunicaciones, llamada Portable Gateway Node (PGN), permitirá la conexión con un teléfono móvil a través de USB y la conexión con una WSN a través de una interfaz de RF.

Tras el diseño del PGN, el layout de la PCB de este sistema ha sido desarrollado utilizando la herramienta Altium Designer. Posteriormente, los componentes seleccionados fueron soldados y se realizaron las pruebas necesarias al HW de este sistema. Además, una caja impresa en 3D ha sido desarrollada utilizando la herramienta online Tinkercad.

Por otra parte, una aplicación para el S.O. Android ha sido desarrollada para permitir la comunicación con el PGN, y de esta manera, con la WSN. Esta aplicación permitirá conectarse a un dispositivo USB, el PGN en nuestro escenario, y posteriormente permitirá al usuario enviar y recibir mensajes de dicho dispositivo. Esta aplicación, llamada PGN Network Manager, ha sido desarrollada en Java utilizando la herramienta Android Studio.

Para realizar las pruebas al sistema desarrollado se han utilizado los nodos Prometeo, una WSN desarrollada en el B105 para un proyecto anterior y que han sido utilizados para poder testear nuestro sistema. Tanto el PGN como los nodos Prometeo han sido programados para utilizar el protocolo de red SimpliciTI. Dicho protocolo es un protocolo de red sencillo y enfocado a WSN de bajo consumo desarrollado y ofrecido por Texas Instruments.

El escenario de test ha demostrado que el proyecto ha sido un éxito, permitiendo la conexión a una WSN de forma remota a través de un smartphone.

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