TFM: Design and implementation of a gateway node based on LTE mobile communications for a Wireless Sensor Network

Wireless Sensor Networks (WSN) research has recently become a key element in the Internet of Things (IoT) concept. These networks use autonomous devices, also known as nodes, whose purpose is to gather information from the environment and transmit it on the internet. We may classify these nodes into two categories: sensor nodes, which extract information from diverse environment parameters; and gateway nodes that transmit this information outside the network.

The main goal of this thesis is the development of a gateway node based in fourth generation mobile communications (4G). This gateway node has been developed both at hardware and software level and should be integrated in a wireless sensor network at future stages.

The hardware for this project is based in a previous design of a modular PCB developed at the B105 Electronic Systems Lab. Some modifications have been introduced in the original design in the power supply, RF and voltage shifter blocks in order to complete a functional prototype. The software architecture has been completely designed and implemented from the very beginning based on YetiOS – an embedded OS developed at the B105 Lab – including a specific API for the module and diverse connectivity functionalities such as call features and TCP/IP communication establishment.

Each hardware and software module has been tested separately and also operation of the whole node. In addition, system performance was evaluated measuring three parameters: consumption, latency and throughput, which are critical in the deployment of a practical application for the node.

The obtained results are discussed at the end of the document, comparing them to the original objectives and finally some working lines are proposed to continue with the node development.

Certificación y pruebas del proyecto Demotherm

La pasada semana se realizó en las instalaciones de Therman (Gijón) la certificación del proyecto Demotherm ante el CDTI (Centro para el Desarrollo Tecnológico Industrial). Durante esta visita no sólo se realizó la justificación del proyecto, sino que se aprovechó para realizar más pruebas con el robot desarrollado conjuntamente entre Therman, el Grupo de Ingeniería de los Procesos de Fabricación de la Universidad de Oviedo y el B105 Electronic Systems Lab de la Universidad Politécnica de Madrid. 

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Estas pruebas se realizaron con todos los elementos del robot ya integrados (parte mecánica, hardware y software de control y bomba de agua) para evaluar el desempeño en la aplicación final para la que se ha diseñado. Además de las pruebas de corte de hormigón, se aprovechó para comprobar algunos parámetros de funcionamiento, como es la fuerza que ha de ejercer el robot contra las paredes para no caerse. Esto permite establecer los umbrales seguros de funcionamiento que habrá de mantener el robot durante su funcionamiento en los escenarios de uso. 

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Demotherm. Desarrollo software del robot

Una vez concluyeron las primeras pruebas de integración de la parte electrónica-mecánica el robot viajó al B105 en su sede de Teleco-Madrid para continuar con los desarrollos del proyecto Demotherm.

Antes de este momento ya se había avanzado bastante en diferentes módulos tanto de software como de hardware electrónico. Por un lado se habían diseñado, fabricado y soldado varias placas de circuito impreso para probar las comunicaciones CAN entre la unidad central de proceso del robot y los motores y sensores del mismo. Por otro lado estaban ya bastante avanzados los desarrollos de drivers para los motores y sensores y la arquitectura software que iba a seguir el proyecto.

Una vez el robot estuvo con nosotros se pudieron probar estos desarrollos software y hardware con un interacción directa sobre la mecánica del robot. Los desarrollos dieron sus frutos y todo funcionaba como se esperaba. Mientras el robot estuvo en el B105 se realizaron numerosos avances en el software de control. Desde las diferentes capas de control de los motores, potenciómetros, acelerómetros, etc. hasta la parte de comunicaciones remotas.

El robot está basado en un ARM® 32-bit Cortex®-M7 CPU con FPU, y todo su software ha sido desarrollado en lenguaje C, basando su arquitectura en el sistema operativo FreeRTOS.

No hay que perder de vista que este robot se debe controlar de forma remota por un operario, por lo que debemos tener una interfaz de usuario a partir de la cual el operario tenga control total del robot, y además pueda obtener la información que considere necesaria para operar.

Cuando todos estos desarrollos fueron testeados y se llegó a un estado estable de funcionamiento, era momento de volver a Gijón para probar el robot en un entorno real de trabajo, y ver si tanto mecánica como electrónica cumplen con sus especificaciones.