TFG: Design and development of a reliable routing protocol for Wireless Sensor Networks

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Wireless Sensor Networks, or WSN, is one of the most promising fields of research when talking about Information Technology, as its use and deployment is extended in developing projects related to Internet of Things.

WSN are composed by multiple wireless tiny sensor nodes called motes, which are equipped with a microcontroller and some sensors capable to measure physical data of the parameter to be monitored. They also feature one or several radio antennas, meant to share the gathered data with the rest of the sensor nodes in the network.

Many projects have been developed using WSN, all of them with the common characteristic of the need of sharing data among nodes. This is achieved by the implementation of a network protocol on the nodes.

Different research lines have been followed and scientific papers have been published related to the field of WSN network protocols, most of them focused on the creation of algorithms and theoretical work rather than on field implementation and actual deployment of the network protocol on physical nodes.

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Multihop packet sending between nodes on WSN

The final objective of this thesis is the development of a realiable routing protocol for WSN, which is meant to establish routes among the nodes which later will be used as paths for sending and receiving data. It will be ready to use for stablishing networks on any project based on WSN developed by the B105 Electronic Systems Lab Research Group, regardless of its application or purpose. Multihop will be one of the main features on this routing protocol.

This protocol has been designed to be reliable, customizable and adaptable to the different needs a WSN developer may have. Its code is portable to different motes, and has been developed as a process running within the FreeRTOS operating system, which is node sensor oriented. Besides, the Contiki netstack, Rime, and its customized layer of communication services provided by the B105 Electronic Systems Lab, have been the main sources of primitive communication modules used on the development of this routing protocol.

Pruebas de detección de vehículos en la A-1 para el proyecto Easysafe

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El paso día 26 fuimos a realizar pruebas para el proyecto Easysafe. La hubicación de las pruebas la autovía A-1 en el kilómetro 111. En él se realizaros varios test enfocados a la detección de vehículos, personas y fauna en la carretera. Esto se realizó por medio de varios tipos de acelerómetros y un magnetómetro sitiados fuera del asfalto. Como se puede apreciar en las fotografías, los sensores fueron colocados en el quitamiedos, a una distancia bastante lejana de loos vehículos y aun así las medidas han sido satisfactorias. A partir de ahora, el trabajo se centrará en el algoritmo para discriminar el tipo de vehículo, animales y personas.

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Heimdall y Cerberus, el nuevo dispositivo cognitivo de redes de sensores

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En el B105 Electronic Systems Lab siempre estamos desarrollando nuevos dispositivos electrónicos, ya sea para redes de sensores inalámbricas, sistemas empotrados u otras aplicaciones. Esta vez el desarrollo ha sido enfocado a una red de sensores muy versátil, que pueda servir de base para distintos proyectos dentro de nuestro laboratorio. Así, el nodo de esta red está formado por dos PCBs: Heimdall y Cerberus.

Heimdall dispone del microcontrolador STM32, de sensores de temeperatura, dos acelerómtros, leds, pulsadores, conector micro USB y slot de tarjeta micro SD. La otra placa, llamada Cerberus, es la encargada de las comunicaciones inalámbricas. Dispone de tres transceptores radio, dos Spirit1 y un cc2500. De esta manera, el nodo dispone de una gran versatilidad de comunicaciones, pudiendo transmitir en tres bandas ISM (433 MHz, 868 MHz y 2400 MHz).

El objetivo de este desarrollo es que este nodo pueda ser utilizado para distintas aplicaciones de WSNs o radio cognitiva, pero también por los nuevos compañeros que se han unido al B105 para desarrollar sus TFGs o TFMs.

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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 UN SISTEMA ELECTRÓNICO E IMPLEMENTACIÓN DE SERVICIOS INTERACTIVOS PARA UN TABLÓN EXPOSITOR SOBRE UNA RED DE SENSORES INALÁMBRICA

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En el pasillo del laboratorio del Grupo de Investigación B105 Electronic Systems Lab se encuentra un tablón expositor que cuenta con un sistema de iluminación LED (Light-Emitting Diode). El objetivo de este Trabajo de Fin de Grado es diseñar e implementar un sistema electrónico que ofrezca funcionalidades interactivas para dicho tablón, de forma que los usuarios puedan interactuar con el mismo a través de un conjunto de pulsadores.

Los LEDs del tablón son controlados por los drivers TLC5940 de Texas Instruments. Además, para enviar los datos a estos drivers se emplea un sistema empotrado, el cual se ha decidido que sea una Raspberry Pi 3. Para poder implementar las distintas funcionalidades se ha diseñado una red de sensores inalámbrica (WSN, Wireless Sensor Network) que se comunique con dicho sistema de control.

La WSN está formada por cuatro nodos. Dos de ellos disponen de tres pulsadores de distintos colores, que serán el medio de interacción entre los usuarios y los LEDs. Otro de los nodos dispone de un sensor de presencia para avisar al sistema de que hay alguien cerca del tablón y el nodo restante es el encargado de recibir los mensajes que envían el resto de nodos y comunicarse con la Raspberry Pi 3.

Las tareas realizadas para la consecución del objetivo de este proyecto se detallan a continuación:

  • Se ha diseñado e implementado la WSN, para lo cual se ha realizado tanto el diseño hardware como software de los nodos. En la imagen de la cabecera se muestra uno de estos nodos.
  • Se ha establecido la comunicación entre la red de sensores y el sistema de control mediante UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter), de forma que cuando al nodo que recibe los datos le llega un mensaje, lo envía a la Raspberry, la cual procesa la información para configurar de forma adecuada los LEDs.
  • Se han programado las distintas funcionalidades interactivas. Concretamente se han desarrollado cuatro: una funcionalidad asociada a la detección de presencia frente al tablón para captar la atención del posible usuario y tres minijuegos, dos de ellos de dos jugadores y uno de un solo jugador.
  • Para facilitar la interacción del usuario con el tablón, se han diseñado unas cajas para almacenar los nodos que disponen de los pulsadores. El resultado final de las mismas se muestra en las siguientes imágenes:
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Botonera para el control del tablón LED
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Botonera para el control del tablón LED

 

 

 

 

 

 

 

Una vez realizadas todas estas tareas, el sistema se ha puesto en funcionamiento y se encuentra operativo para poder hacer uso de él.

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.

 

TFM: DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE ADQUISICIÓN DE DATOS PARA UN NODO DE UNA RED DE SENSORES INALÁMBRICA

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Las Redes de Sensores Inalámbricas (Wireless Sensor Networks, WSN) son un campo en auge en los últimos años debido a sus múltiples aplicaciones en distintos sectores (agricultura, medio ambiente, industria, seguridad, etc.). Las WSN se postulan, dentro de las tecnologías inalámbricas, como una de las opciones de futuro más prometedoras debido, entre otras cosas, a la inminente llegada del Internet de las Cosas (Internet of Things, IoT). Es por estas razones que los grandes fabricantes han lanzado líneas de investigación centradas en esta tecnología.

Las WSN consisten en un conjunto de pequeños nodos sensores que se comunican inalámbricamente para monitorizar distintos parámetros del ambiente, como pueden ser humedad, temperatura, movimiento, actividad, presión, etc.

Estos nodos están formados generalmente por un microcontrolador, sensores, memoria, un transceptor radio y batería; y existen gran cantidad de nodos o plataformas con distintos componentes. Debido a esta gran diversidad de nodos, se hace necesario tener una capa de abstracción hardware o sistema operativo que permita utilizar la misma aplicación de redes de sensores en distintas plataformas hardware y proporcionar herramientas para desarrollar aplicaciones más complejas.ModuleAcquisition

La eficiencia de este sistema operativo es algofundamental en sistemas de bajos recursos como los utilizados, por ello existen numerosas líneas de investigación cuyo objetivo es optimizar estos sistemas operativos haciéndolos dinámicos y proporcionándoles inteligencia. Para ello es necesario proporcionar ciertos datos externos al sistema operativo para que pueda adaptarse dinámicamente al entorno de cara a optimizar su eficiencia. Estos datos externos pueden ser la temperatura del nodo, su movimiento, su consumo, el nivel de batería, así como datos de otros nodos cercanos como la potencia recibida en la interfaz radio, sus parámetros característicos o su estado.

Proporcionar dichos datos externos será el objetivo principal a satisfacer a lo largo de este Trabajo Fin de Máster (TFM). Además, cabe destacar la importancia de la capa de abstracción, ya mencionada anteriormente, que el sistema debe facilitar a la aplicación de nivel superior que utilice sus servicios.

Diseño y simulación de una antena personalizada del B105

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La banda de frecuencias de 2.45 GHz es una de las más utilizada en la actualidad para implementar comunicaciones inalámbricas. En esta banda se realizan las comunicaciones WiFi, Bluetooth y Zigbee entre otras y es de gran utilidad en el diseño de redes de sensores inalámbricas (WSN) y sistemas empotrados.

Por ello se ha diseñado en el laboratorio B105 una antena resonante a 2.45 GHz que permita su integración en cualquier placa de circuito impreso (PCB). El diseño se ha realizado buscando una máxima miniaturización para facilitar su integración en cualquier PCB, obteniéndose una antena de dimensiones 12mm x  5mm.

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Además, se ha simulado la antena diseñada utilizando el programa CST Studio para comprobar la respuesta en frecuencia y los patrones de radiación para la frecuencia de 2.45 GHz. Se ha obtenido una ganancia máxima de 0.42 dB, y un ancho de banda suficiente en torno a la frecuencia central, que permite mantener la adaptación cercana a 50 ohm ante pequeñas posibles variaciones en las dimensiones ocasionadas en el proceso de fabricación del PCB. Tras el diseño y simulación el siguiente paso será su implementación en un circuito real y la realización de pruebas para verificar su comportammiento.

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Concedida matrícula de honor a PFC englobado dentro del proyecto DEPERITA

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El proyecto DEPERITA (DEtection PERImetral system for lineal TrAffic works) está siendo actualmente desarrollado en el laboratorio B105. El sistema busca desarrollar un sistema que mejore la seguridad en obras de mantenimiento de carreteras. En estos trabajos, es habitual llevarlos a cabo sin cerrar la calzada, cortando sólo parte de los carriles, con el fin de no interrumpir completamente el tráfico. Sin embargo, en estos casos, los trabajadores están expuestos al tráfico, ya que los coches circulan muy cerca de ellos y cabe la posibilidad de que algún vehículo se introduzca en la zona cerrada al tráfico, en la que se encuentran los trabajadores. Para reducir la posibilidad de accidente en estos casos, se ha planteado desarrollar un sistema que alerte a los trabajadores en caso de que algún vehículo invada la zona de trabajo.

La detección de los vehículos se realiza mediante unas balizas o detectores que se acoplarán a los conos empleados para realizar el corte del tráfico. Las balizas se encargarán de, si algún vehículo cruza ,la zona delimitada, avisar a todos los trabajadores a través de un reloj que cada uno de ellos lleva puesto. Todas estas balizas y relojes forman una red inalámbrica en la banda conocida como SRD (Short Range Devices) de 868 MHz. Esta se encarga de distribuir los avisos de peligro, activar o desactivar la detección de vehículos, e informar del estado de los dispositivos.

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Esquema reducido de un despliegue objetivo.

Cuando algún vehículo cruce este perímetro, la baliza asociada a ese segmento lo detectará, y se avisará a los trabajadores mediante sus relojes y también con la sirena incorporada en alguna de las balizas. De esta manera, pueden apartarse de la zona de la carretera y evitar un posible atropello. Una vez pasa el peligro, el responsable de la obra puede, mediante su reloj, parar el aviso y poner en marcha el sistema de nuevo.

El primer prototipo de este sistema fue desarrollado en el PFC “Diseño e implementación de un sistema de control perimetral para seguridad en obras de infraestructuras lineales”, que fue presentado el pasado 21 de Diciembre, siéndole concedida la matrícula de honor en el pasado mes de enero. Tras este primer desarrollo, se trabajará junto con la empresa Valoriza Infraestructuras para probarlo en entornos reales y evolucionarlo, con el fin de emplearlo en un futuro en este tipo de trabajos.

Visita en Talavera a los escenarios del proyecto Easysafe

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El pasado día 14, el B105 junto con Valoriza visatamos los escenarios propuestos para el proyecto Easysafe, que pretende mejorar la seguridad en la carretera por medio de sensores inalámbricos. Los escenarios propuestos son tres: detección de fauna en una zona de coto de caza, aviso de proximidad de vehículos en un cruce peligroso y detección de vehículos en sentido inverso accediendo a una autopista. Estos tres escenarios preliminares se encuentran situados en un tramo de la N-502 concedida a la empresa Valoriza.

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