No cabe duda de que estamos siendo testigos del gran impacto que está teniendo el crecimiento del Internet de las Cosas (Internet of Things, IoT) en la actualidad. Cada vez son más el número de dispositivos wearables, de electrodomésticos inteligentes, coches sensorizados… presentes en nuestra vidas.

 
Se estima que para 2020 más de 250.000 vehículos y más de 245 millones de dispositivos wearables estén conectados a la red.
Es lógico pensar que tal conexión masiva de dispositivos produce y producirá más aún un uso ineficiente del espectro radioeléctrico en las bandas libres disponibles provocando un ineficiente uso de las prestaciones de la red . Por lo que un elemento clave para evitar tal fenómeno son las Redes inalámbricas de sensores cognitivas (Cognitive Wireless Sensor Network, CWSN) compuesta de nodos cognitivos capaces de modificar sus parámetros de comunicación dinámicamente para evitar interferencias dentro de la red, mejorando así las prestaciones de la misma.

 
Una de las principales líneas de investigación dentro del B105 Electronic Systems Lab, es el desarrollo de CWSN. Debido a ello en los últimos años se han llevado cabo en diferentes proyectos tanto el desarrollo hardware de un nodo cognitivo (cognitive Next Generation Device, cNGD) como la implementación software de la pila de protocolos que permite al nodo comunicarse en tres bandas diferentes y libres del espectro radioeléctrico, que cumplen con la legislación vigente en Europa.

 
Este Trabajo de Fin de Grado se centra en realizar el diseño y despliegue de un banco de pruebas (test-bed) de una CWSN. Esto implica realizar un estudio previo de los proyectos mencionados anteriormente para poder realizar un correcto montaje hardware de los nodos cognitivos que integrarán la CWSN así como el diseño, implementación y realización de una serie de pruebas para verificar el correcto montaje de los mismos. Para poder desplegar el test-bed ha sido necesario hacer un previo diseño de la CWSN teniendo en cuenta las limitaciones que presenta el protocolo de comunicaciones, las distintas funcionalidades que puede tener un cNGD y las pruebas a realizar sobre la red. Una vez realizado el despliegue se ha podido caracterizar ciertos parámetros de la red tales como el alcance, la latencia o el consumo de los nodos. Para medir este último parámetro se realizará el diseño e implementación de un módulo de expansión de la placa cNGD para medir el consumo del nodo en sus distintas funcionalidades.

 

La situación del B105 Electronic Systems Lab es la de un entorno de trabajo donde varias personas comparten recursos hardware como son un puesto de soldadura o distintos equipos de medida. Si una persona necesita uno de estos recursos, tiene que localizarlo en el laboratorio y comprobar si está libre o en uso. Para facilitar esta tarea, actualmente, la persona que coja un recurso hardware debe dejar constancia en un corcho de su posesión, aunque esta práctica está poco extendida.

Así, el objetivo de este trabajo es el de informatizar dicho control. Aprovecharemos el servidor del que se dispone en el laboratorio para almacenar información sobre las herramientas en uso. Para ello, este trabajo se basa en la gran extensión del sistema operativo Android sobre los teléfonos móviles inteligentes que nos rodean y el uso de la tecnología “Near Field Communication” (NFC). Esta tecnología permite leer pequeños dispositivos sin alimentación, denominados etiquetas, acercando el teléfono móvil a unos pocos centímetros de ellas.

El uso de la tecnología NFC en dispositivos móviles se extendió a partir de la versión de Android 4.4 (Kit Kat) cuando se incluyó la posibilidad de que el smartphone actuase como un emulador de tarjetas. Esta característica conlleva el intercambio de información entre sistemas, ya que permite que un terminal pueda ser leído como una etiqueta NFC. No obstante, para la realización de este trabajo, nos interesará el primer uso que se le dio en Android, el de la capacidad de leer etiquetas pasivas.

Para el despliegue, se distribuirán etiquetas por los equipos de medida conteniendo información sobre estos. El smartphone, al leer una de estas etiquetas, se comunicará con el servidor y dejará constancia de la reserva. Una peculiaridad de algunas herramientas es que la estructura externa es metálica, por lo que se precisará de etiquetas especiales con una capa de ferrita para aislarlas de la estructura.

 

En estos últimos años las redes inalámbricas de nodos de bajos recursos han incrementado notablemente su presencia, y debido al auge de tendencias como el “Internet de las Cosas”, se espera que cada vez más estos nodos se encuentren presentes en nuestro día a día. La flexibilidad y bajo coste de su despliegue, frente a redes de nodos cableados, hacen que sean la primera opción al implementar un sistema.

 

Estas redes normalmente no son exigentes con las tasas binarias de transmisión, y es por ello, que transmitir contenido multimedia a través de una red inalámbrica con recursos limitados suponga un mayor reto. Debido al deseo de crear grandes redes capaces de intercambiar datos, no sólo se buscan comunicaciones inalámbricas entre nodos, sino que además es deseable que estas sean multipunto.

 

El objetivo de este Trabajo de Fin de Grado es diseñar e implementar un sistema sencillo, independiente y de bajo coste con el que se puedan intercambiar de forma inalámbrica contenido multimedia, de manera que se consiga un sistema de comunicación multipunto con mínimos recursos.

En este proyecto se trabajará sobre el concepto de las redes inalámbricas de sensores, cuyo uso se encuentra muy extendido en la sociedad. Estos sistemas interactúan con el entorno  en el que se encuentran recopilando diferentes parámetros del mismo como puedan ser humedad, temperatura o velocidad del viento. También pueden desempeñar diferentes aplicaciones como el control del estado de la infraestructura de un edificio.

Estos nodos se comunican unos con otros a través de la tecnología de radiofrecuencia, lo cual supone una complicación para poder proveer a un operario del sistema de una interfaz clara que le permita acceder a toda esta información recabada del entorno y realizar diferentes gestiones sobre el estado de la infraestructura de la red.

Ante esta necesidad, observamos que un smartphone puede ser una herramienta con mucho potencial de cara a proveernos de una interfaz gráfica e intuitiva para establecer intercambios de información con la red.

Todo este escenario se resolvió con un proyecto anterior en el cual se diseñó un dispositivo para actuar como nodo pasarela de comunicaciones (PGN) entre la red de nodos y un teléfono móvil inteligente haciendo las funciones de interfaz gráfica de cara a un usuario final.

Sin embargo, en este proyecto existían una serie de limitaciones en cuanto a la funcionalidad del sistema global, y es que el rol asignado al nodo PGN dentro de la red no permitía ni el despliegue de la infraestructura ni la posterior puesta en marcha del sistema sin la presencia física de dicho elemento. Por otro lado,  el protocolo de comunicaciones implementado no nos permitía acceder a toda la información sobre la red que nos gustaría de cara a establecer una comunicación lo más eficiente posible.

Por lo tanto, se ha diseñado un nuevo rol para la pasarela de comunicaciones dentro de la infraestructura de red que permita aumentar la funcionalidad y flexibilidad de la misma, y se ha diseñado un nuevo protocolo de red que nos permita establecer una comunicación más efectiva entre todos los elementos del  sistema. A continuación se puede observar el nuevo diseño del entramado de mensajes así como un ejemplo ilustrativo de una petición, respecto al valor medido de temperatura y su correspondiente respuesta, sobre un dispositivo concreto del sistema:

En este proyecto se ha conseguido corregir estas limitaciones ampliando la funcionalidad del sistema global. Se han realizado las siguientes tareas:

• Se ha diseñado e implementado el firmware necesario para gestionar el correcto funcionamiento de cada uno de los dispositivos del sistema. Para ello se ha trabajado sobre la capa de aplicación del protocolo de red.
• Desarrollo e implementación de un nuevo entramado para las peticiones y respuestas de la red y diseño de una gama más amplia de mensajes.
• Integración de aplicación Android en el sistema para mejor interacción entre WSN y usuario.
• Herramientas utilizadas: IAR (C), Android Studio (Java).