There is currently a boom in smart devices in all kinds of environments. Most stores like www.discountfilterstore.com are getting advanced. This is due to the large amount of data and services that they provide us, facilitating our daily tasks. In this context, the design and implementation of an electronic system, to manage a fridge and a pantry situated in a room in the B105 Electronic Systems Lab research group, where there are products for the lab’ users, has been performed. In order to simplify the accounting, track the stock, control the consumption and facilitate the use and payment, a system based in a Raspberry Pi 2 Model B has been developed, composed of a database, a touchscreen and a fingerprint sensor. Additionally, a webpage has been developed to observe the stock and the user consumption.

In order to reach this aim, several phases have been fulfilled. First of all, an analysis of the current situation has been made to decide how to improve it. Afterwards, system requirements have been established. According to them, the available technologies have been analyzed. With the already decided requirements, the hardware and software design has been carried out. Finally, the designed system has been installed and performed all the necessary tests to determine that the system operation is the one desired.

A MySQL database has been designed to store the products, prices, stock, users and virtual wallet data. It is composed of four tables for users, products, consumptions and money movements.

In order to univocally identify the users, it has been decided to use a fingerprint sensor connected to the Raspberry’s UART. Python language has been used for sending and receiving data packets between Raspberry and sensor. It has also been considered the case of a temporary user which can log in as invited, in order to keep all the database’s tables updated and allow him to consume.

As far as communication between users and system is concerned, it has been decided that it is performed by means of a touchscreen, because it is handy, intuitive and its use is very widespread. It displays the graphical user interface that has been developed, implemented as web application. The main technologies used for this purpose have been PHP, HTML, CSS and JavaScript.

Likewise, a webpage has been implemented for queries in the own lab intranet, where users can see their own consumptions and the fridge and pantry products stock.

Finally, the system has been installed in the fridge and pantry room, resulting operative for users. For this purpose, a clamping system has been designed and printed in 3D, to provide stability and make it easy for users.

Las redes de sensores inalámbricas constituyen una nueva tecnología que se encuentra en un momento de desarrollo creciente. Este tipo de redes están formadas por varios nodos autónomos con capacidad de comunicación inalámbrica. Dichos nodos son capaces de monitorizar y muestrear varios parámetros físicos del entorno en el que se encuentran, procesar la información obtenida y comunicarse con otros nodos para tomar decisiones.

Debido al desarrollo de esta tecnología, se han encontrado varias necesidades entre las que se encuentran la gestión de las redes, su mantenimiento o la realización de pruebas. Es por ello que en el mercado han surgido varias alternativas para cubrir estas necesidades.

En el grupo de investigación del B105 Electronic Systems Lab del Departamento de Ingeniería Electrónica se ha desarrollado un banco de pruebas que permite comprobar, de una manera eficiente, el comportamiento de las redes de sensores ante distintas configuraciones de protocolos de comunicación y de los nodos. Para poder utilizar este sistema de manera sencilla se necesita una interfaz gráfica.

Este proyecto nace con la idea de cubrir esa necesidad, con el reto añadido de desarrollarla de manera que cumpla las características de fiabilidad, comodidad, flexibilidad y escalabilidad. También se pretende que esta interfaz sea lo más genérica posible. La interfaz se tendrá que comunicar con la red de sensores para configurar parámetros de los nodos y para solicitar datos a los mismos. Estos datos se tendrán que guardar y mostrar adecuadamente al usuario.

Para la realización de la interfaz se usará el entorno de programación Visual Studio en su versión de C#. Este contiene todas las herramientas y utilidades necesarias para diseñar e desarrollar interfaces de una manera rápida y sencilla, comunicarse con otros dispositivos y almacenar datos en ficheros y bases de datos.

También se diseñará e implementará las funciones necesarias para el correcto envío de datos a la interfaz por parte de la red de sensores. Esta tarea será realizada por un nodo pasarela, que actúa de intermediario entre los miembros de la red y el PC.

Un reloj digital, un teléfono inteligente, una pulsera electrónica y un sensor inalámbrico son algunos ejemplos de sistemas empotrados. Es fácil observar que este tipo de dispositivos juegan un papel muy importante en la sociedad actual.

Tras analizar con detalle este tipo de dispositivos nos damos cuenta de que en numerosas ocasiones son autónomos desde un punto de vista energético, es decir, se alimentan a través de baterías o pilas. En estos casos, será de gran interés para el diseñador obtener un perfil de consumo del dispositivo con la finalidad de poder estimar un tiempo de vida del mismo.

Realizar este proceso de caracterización en ocasiones no será para nada trivial, incrementándose considerablemente cuando trabajemos con dispositivos cuyo comportamiento no sea constante a lo largo del tiempo, pudiendo existir grandes diferencias de consumo entre un momento y otro como, por ejemplo, en las redes de sensores inalámbricos.

Ante la inexistencia de herramientas comerciales económicas que nos permitan caracterizar un dispositivo similar a los presentados anteriormente, nos propondremos realizar con este proyecto una herramienta de bajo coste con dicha funcionalidad. Para ello, diseñaremos, por un lado, un dispositivo hardware que nos permitirá medir el consumo de un tercero de forma fiable y, por otro, una herramienta software a través del cual el usuario podrá acceder a los datos adquiridos y procesarlos según considere, obteniendo la información relevante para el análisis del consumo.

Entre las restricciones a las que tendremos que hacer frente destacamos lo que se conoce como tensión de Burden. La tensión de Burden se define como la tensión que cae en el instrumento de medida por el mero hecho de medir. Fruto de esta restricción, será necesario incluir en el sistema, un mecanismo de regulación que cambie el estado del sistema de forma que, en ningún caso, la caída de tensión en bornes de nuestro dispositivo supere los 0,1 V.

Limitación de la tensión de Burden.

 

Adicionalmente al prototipo hardware, se desarrolló una interfaz que nos permitirá trabajar con el perfil de consumo obtenido durante el proceso de adquisición, facilitando el análisis de los datos.

 

Interfaz de usuario

Entre las funcionalidades incluidas en la aplicación destacamos: el panel de representación, que nos permitirá hacer zoom en un intervalo de tiempo específico; el panel de datos, donde se mostrarán los valores de interés del sistema (valor mínimo, máximo y medio) y el panel de configuración de umbrales, que nos permitirá conocer cuánto tiempo ha permanecido el sistema un una banda acotada de consumo.

Montaje real del sistema completo

 

 

 

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.