Sistema de Telemetría basado en redes WSN (Wireless Sensor Network) para el Internet de las Cosas (IoT)

Resumen

El Internet de las cosas (IoT) involucra una amplia variedad de tecnologías heterogéneas y dispositivos con recursos limitados que interactúan entre sÍ. Debido a tales restricciones, los dispositivos de IoT generalmente requieren protocolos livianos que optimicen el uso de los recursos y el consumo de energía. Entre los diferentes dispositivos comerciales de IoT, los beacons basados en Bluetooth y BLE, que transmiten periódicamente ciertos paquetes de datos para notificar su presencia, han experimentado un notable crecimiento, especialmente debido a su aplicación en sistemas de posicionamiento en interiores. Como solución a esta problemática esta tesis aporta con una arquitectura general de telemetría, diferentes escenarios para acceder a la cloud computing, guías de selección de componentes en los diferentes dominios de una arquitectura basada en IoT y ejemplos de implementación de una WSN a través de un testbed basado en el uso de sensores inteligentes con Bluetooth Low Energy. En el ejemplo mostrado se desarrolla un gateway IoT sobre un teléfono inteligente Android. Este gateway integra un cliente MQTT y dispone de las funcionalidades necesarias para empaquetar los datos de los sensores y enviarlos hacia el broker MQTT residente en una cloud computing. También se dispone de una interfaz amigable para que un usuario local pueda monitorear y controlar la WSN creada. Algunas experimentos fueron llevados a cabo paJ'a demostrar la funcionalidad, rapidez y estabilidad del gateway propuesto, para ser usado en este y otros dominios de aplicación. Corno parte de las soluciones planteadas en esta tesis, se propone una familia de protocolos denominada Lightweight Protocol for Sensors (LP4S) que proporciona respuestas rápidas y habilita los mecanismos plug-and-play que permiten a los sistemas de telemetría IoT descubrir nuevos nodos y describir y registrar automáticamente los sensores y actuadores conectados a un beacon. Por lo tanto, se definen tres protocolos dependiendo de las características de hardware del beacon: LP4S-6 (para beacons de recursos restringidos), LP4S-X (para beacons más potentes) y LP4S-J (para beacons capaces de ejecutar firmware complejo). Para demostrar las capacidades de los protocolos diseñados, el más restrictivo (LP4S-6) se prueba después de implementarlo para una aplicación de telemetría en un beacon basado en Eddystone (formato de beacon abierto de Google). Por lo tanto, la especificación del beacon se amplía para aumentar su capacidad de administrar sensores ilimitados en un sistema de telemetría sin interferir en su funcionamiento normal con las tramas Eddystone. Los experimentos realizados muestran la viabilidad de la solución propuesta y su superioridad, en términos de latencia y consumo de energía, con respecto a los enfoques basados en el perfil genérico de atributos (GATT) cuando múltiples usuarios se conectan a un sensor inteligente o en escenarios donde la latencia no es una restricción, pero el bajo consumo de energía es esencial. Se presenta además un framework basado en TEDS virtuales (VTEDS) para el desarrollo de nodos de sensores inteligentes con capacidades plug-and-play para contribuir a la evolución del Internet de las Cosas (IoT) hacia la Web de las Cosas (WoT). En el sistema propuesto se utilizan los protocolos livianos, que hemos desarrollado, para que los sensores se auto-describan, auto-calibren Y se auto-registren automáticamente. Dichos protocolos permiten el desarrollo de nuevas soluciones de IoT al tiempo que garantizan baja latencia, bajo consumo de energía y la QoS requerida. Para evaluar el rendimiento del sistema, se usaron sensores Bluetooth Low Energy (BLE) Y basados en Ethernet en diferentes escenarios. Específicamente, la experiencia del usuario se cuantificó empíricamente (es decir, qué tan rápido el sistema muestra los datos recopilados a un usuario). Los resultados obtenidos muestran que la arquitectura VTED propuesta es realmente rápida, ya que algunos sensores inteligentes (ubicados en Europa) pueden auto-registrarse Y auto-configurarse en una cloud remota (en América del Sur) en menos de 3s y mostrar datos de los sensores a usuarios remotos en menos de 2s. Finalmente, se muestran las tendencias tecnológicas para el desarrollo de sensores inteligentes en el ámbito del Internet de las cosas actual, en función de las tecnologías Y protocolos de comunicación, hardware, dispositivos multi-protocolos, sistemas operativos, ambientes de desarrollo on-line y lenguajes de programación del firmware de dichos nodos sensores. Todos los aportes científicos de esta tesis son reflejadas en el diseño de un proyecto de agricultura de precisión, para controlar el riego de una plantación de banano de forma automatizada. El proyecto citado aún se encuentra en ejecución, no obstante los avances de implementación del mismo son mostrados en el último capítulo.