Diseno~ de un Concentrador con Capacidades de...

Diseno de un Concentrador conCapacidades de Interoperabilidad

para Redes Inalambricas de Sensores

OSCAR JAVIER IDROBO LOPEZ

ALEJANDRO TORRES TORO

Universidad Distrital Francisco Jose de Caldas

Facultad de Ingenierıa, Ingenierıa Electronica,

Bogota, Colombia

2017

Diseno de un Concentrador conCapacidades de Interoperabilidad

para Redes Inalambricas de Sensores

OSCAR JAVIER IDROBO LOPEZ

ALEJANDRO TORRES TORO

Trabajo de grado presentado como requisito parcial para optar al tıtulo de:

Ingeniero Electronico

Director: Ing. GUSTAVO ADOLFO PUERTO LEGUIZAMON, Ph.D.

Lınea de Investigacion:

Redes de Sensores

Grupo de Investigacion:

Grupo de Radiacion Electromagnetica y Comunicaciones Opticas

Universidad Distrital Francisco Jose de Caldas

Facultad de Ingenierıa, Ingenierıa Electronica,

Bogota, Colombia

2017

Dedicatoria

A mi familia por su apoyo incondicional y

creer en mi, a mi hermano Julian por su

berraquera y pundonor, a nia por su lealtad

y companıa... Y a todas las personas que

contribuyeron en mi formacion.

Oscar Javier Idrobo Lopez

A Dios, porque nada es posible sin su volun-

tad. A mis padres y hermano, porque han

estado incondicionalmente en todas mis me-

tas propuestas (5 en 1) y siempre han creıdo

en mi. A mis amigos, porque le dan felicidad

a mi vida y la hacen mas facil. Y a todas

las personas que han hecho parte del camino.

Alejandro Torres Toro

Agradecimientos

A nuestro director Gustavo Puerto Leguizamon, por ayudarnos a cumplir con el objetivo

del proyecto, su disposicion, ensenanza y guıa...

A las familias Idrobo Lopez y Torres Toro, por el apoyo incondicional, sacrificio, disposicion

y paciencia...

A la Universidad Distrital Francisco Jose de Caldas, por la posibilidad de formacion academi-

ca que nos ofrecieron dentro y fuera de la institucion...

A todos los profesores del proyecto curricular de Ingenierıa Electronica, por el aporte en

nuestra formacion como profesionales...

A nuestros companeros de clases, por el trabajo en equipo y los momentos vividos...

Resumen

En el presente trabajo se disena y desarrolla un dispositivo con capacidades de interope-

rabilidad para dos estandares de comunicacion, utilizados en redes inalambricas de sensores.

Este, trabaja de forma autonoma frente a las caracterısticas que ofrece cada red y tiene co-

mo fin solucionar los problemas de incompatibilidad, con lo cual promete ser una iniciativa

en el ambito del Internet de las Cosas. El dispositivo lleva por nombre Concentrador IRIS

(Concentrador Interoperable para Redes Inalambricas de Sensores), es desarrollado sobre la

plataforma Raspberry Pi 3, bajo el lenguaje python e interopera los estandares wifi y ZigBee.

En el diseno del concentrador se evaluan diferentes contextos entre los cuales se destacan el

estado de la red y acceso a la informacion en forma remota dentro de una subred, convir-

tiendolo en un producto competitivo y de bajo costo en el mercado nacional e internacional,

comparado con los pocos productos que existen en el mercado con funcionalidades similares.

Palabras clave: Redes de sensores, comunicacion inalambrica, Internet de las Cosas,

concentrador, wifi, ZigBee, python.

Abstract

In this thesis is designed and developed a device with interoperability capabilities for two

communication standards used in sensor wireless networks. It works autonomously in front

of the characteristics offered by each network and its aims is to solve incompatibility issues,

which promises to be an initiative in the Internet of Things. The device’s name is Concentra-

dor IRIS (Interoperable Gateway for Wireless Sensor Networks, or in spanish, Concentrador

Interoperable para Redes Inalambricas de Sensores), is developed on a Raspberry Pi 3 plat-

form, under python language and interoperates wifi and ZigBee. In the gateway design,

different contexts were evaluated, among which stan out the network status and access to

information remotely within a subnet, making it a competitive and low-cost product in na-

tional and international market, compared with some products that exist in the market with

similar functionalities.

Keywords: Sensor networks, wireless communication, Internet of things, gateway, wifi,

ZigBee, python.

Contenido

Agradecimientos VII

Resumen IX

Lista de figuras 3

Lista de tablas 5

1 Generalidades 7

1.1 Introduccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.2 Justificacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.3 Planteamiento del problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.4 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.4.1 Objetivo General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.4.2 Objetivos Especıficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2 Estandares de Comunicacion 11

2.1 Redes inalambricas de sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.1.1 Componentes de una red inalambrica de sensores . . . . . . . . . . . 11

2.2 Redes inalambricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.2.1 WPAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.2.2 WLAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.2.3 Consideraciones generales para sistemas interoperables en redes inalambri-

cas de sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.3 Estandares de comunicacion inalambrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.3.1 Bluetooth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.3.1.1 Caracterısticas tecnicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.3.1.2 Protocolos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.3.1.3 Versiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.3.1.4 Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.3.2 ZigBee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19


2.3.2.2 Protocolos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.3.2.3 Versiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

xii Contenido

2.3.2.4 Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.3.3 Near Field Communication (NFC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30


2.3.3.2 Protocolos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.3.3.3 Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

2.3.4 Wifi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35


2.3.4.2 Protocolos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

2.3.4.3 Versiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

2.3.4.4 Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

2.3.5 Comparacion entre los diferentes estandares de comunicacion inalambrica 44

3 Plataformas Hardware 46

3.0.1 Raspberry Pi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

3.0.2 Arduino Tian . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

3.0.3 BeagleBone Black . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

3.0.4 LinkIt One . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

3.0.5 Comparacion entre las plataformas disponibles en el mercado . . . . . 51

4 Desarrollo del Sistema de Comunicacion 53

4.1 Estandar de comunicacion y modulos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

4.1.1 Wifi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

4.1.1.1 Caracterısticas basicas del modulo . . . . . . . . . . . . . . 54

4.1.1.2 Modos de operacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

4.1.2 ZigBee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

4.1.2.1 Caracterısticas basicas del modulo . . . . . . . . . . . . . . 56

4.1.2.2 Modos de operacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

4.2 Desarrollo del Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

4.2.1 Configuracion de la plataforma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

4.2.1.1 Punto de acceso wifi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

4.2.1.2 PyQt4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

4.2.1.3 Manejo de hilos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

4.2.1.4 Lectura de datos wifi - Sockets . . . . . . . . . . . . . . . . 60

4.2.1.5 Lectura de datos ZigBee - Puerto Serial . . . . . . . . . . . 63

4.2.1.6 Configuracion remota nodos wifi . . . . . . . . . . . . . . . 64

4.2.1.7 Configuracion remota nodos ZigBee . . . . . . . . . . . . . . 65

4.2.1.8 Informacion de red wifi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

4.2.1.9 Informacion de red ZigBee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

4.2.1.10 Grafica datos wifi y ZigBee . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

4.2.1.11 SQL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

Contenido 1

4.2.2 Configuracion modulo wifi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

4.2.3 Configuracion modulo ZigBee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

4.2.4 Framework web . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

4.2.4.1 Django . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

4.2.5 Despliegue del desarrollo web . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

4.2.6 Estructura del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

5 Protocolo de Pruebas 84

5.1 Definicion de variables a sensar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

5.1.1 Red wifi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

5.1.2 Red ZigBee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

5.2 Recoleccion de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

5.3 Visualizacion de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

5.3.1 Aplicacion de escritorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

5.3.2 Aplicacion web . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

5.4 Configuracion remota red de sensado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

5.5 Informacion de redes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

5.6 Informacion adicional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

5.7 Caracterısticas de funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

6 Comparacion entre Concentrador IRIS y Plataformas existentes 95

7 Conclusiones 99

8 Trabajos Futuros 101

Lista de Acronimos 102

Bibliografıa 105

Lista de Figuras

2-1. Partes del nodo Wireless Sensor Network (WSN). [36] . . . . . . . . . . . . . 12

2-2. Stack de Protocolos Bluetooth. [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2-3. Capas implementadas por Estandar ZigBee. [3] . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2-4. Ejemplo perfil de aplicacion estandar ZigBee. [12] . . . . . . . . . . . . . . . 23

2-5. Arquitectura 802.11. a) Modo Infraestructura, b) Modo Ad - Hoc. [47] . . . . 36

2-6. Protocolos 802.11. [45] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3-1. Raspberry pi 3 - modelo B. [51] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

3-2. Arduino Tian. [8] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

3-3. BeagleBone Black. [48] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

3-4. LinkIt One. [32] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

4-1. Modulo ESP-12E. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

4-2. Kit de desarrollo NodeMCU - ESP 12E. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

4-3. Modulo XBee. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

4-4. Adaptador y Modulo XBee. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

4-5. Diagrama de flujo Lectura de datos wifi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

4-6. Diagrama de flujo Lectura de datos ZigBee. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

4-7. Diagrama de flujo Configuracion remota nodos wifi. . . . . . . . . . . . . . . 64

4-8. Diagrama de flujo Configuracion remota nodos ZigBee. . . . . . . . . . . . . 65

4-9. Diagrama de flujo Informacion de red wifi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

4-10.Diagrama de flujo Informacion de red ZigBee. . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

4-11.Diagrama de flujo Grafica datos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

4-12.Diagrama de flujo Configuracion modulo wifi. . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

4-13.Configuracion Nodo ZigBee - Parametros Basicos. . . . . . . . . . . . . . . . 75

4-14.Diagrama de flujo Inicio Sesion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

4-15.Diagrama de flujo Visualizacion informacion de redes. . . . . . . . . . . . . . 79

4-16.Diagrama de flujo Cerrar Sesion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

4-17.Diagrama de flujo Actualizar Datos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

4-18.Estructura del sistema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

4-19.Diagrama de comunicacion estandar wifi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

5-1. Sensor DHT11. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

5-2. Sensor MQ-135. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

4 Lista de Figuras

5-3. Sensor SW-420. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

5-4. Pagina principal concentrador IRIS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

5-5. Visualizacion general. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

5-6. Visualizacion grafica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

5-7. Visualizacion remota datos wifi - Aplicacion web. . . . . . . . . . . . . . . . 90

5-8. Visualizacion remota datos ZigBee - Aplicacion web. . . . . . . . . . . . . . 90

5-9. Configuracion remota nodos wifi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

5-10.Configuracion remota nodos ZigBee. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

5-11.Informacion de redes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

5-12.Informacion de contacto aplicacion de escritorio. . . . . . . . . . . . . . . . . 93

5-13.Informacion de contacto aplicacion web. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

Lista de Tablas

2-1. Especificaciones de dispositivos Bluetooth segun su clase. [9] . . . . . . . . . 15

2-2. Velocidad de Transmision segun su version. [10] . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2-3. Frecuencias de operacion y velocidad de transmision estandar ZigBee. [12] . . 24

2-4. Distancia de operacion en relacion a la potencia y velocidad de transmision

estandar ZigBee. [34] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2-5. Versiones y contribuciones estandar ZigBee. [12],[3] . . . . . . . . . . . . . . 29

2-6. Comparacion entre diferentes estandares de comunicacion inalambrica. . . . 45

3-1. Tipos de Raspberry Pi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

3-2. Comparacion entre diferentes plataformas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

4-1. Relacion URL - VIEW - TEMPLATES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

5-1. Frecuencia, potencia y distancia soportada por concentrador IRIS. . . . . . . 94

6-1. Concentrador IRIS vs. Meshlium Xtreme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

6-2. Concentrador de diferentes estandares de comunicacion. . . . . . . . . . . . . 96

6-3. Escanear diferentes dispositivos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

1 Generalidades

1.1. Introduccion

El mundo de las comunicaciones evoluciona cada dıa, desarrollando nuevas tecnologıas que

permiten solucionar problemas particulares de cada ambiente, la unificacion de los sistemas

de comunicacion e interoperabilidad de los estandares y protocolos, permite obtener mejoras

en procesamiento de datos y escalabilidad, ademas, de provecho en arquitectura de red actual.

Las redes inalambricas de sensores (WSN) de manera general, estan compuestas por nodos

fuentes que tienen como funcion principal capturar informacion del ambiente, por su parte,

el control de trafico y la gestion del camino que recorre la informacion para llegar a diferentes

puntos de la red, se realiza mediante un router, y al ser generalmente un sistema centralizado,

cada WSN cuenta con un concentrador, el cual permite procesar, administrar y gestionar

los datos adquiridos por los nodos fuentes. Una de las principales diferencias de las WSN

con respecto a las redes convencionales se encuentra en el consumo de energıa, capacidad de

procesamiento y memoria [44], lo cual es limitado y es una de las razones por las que surgen

tecnologıas que funcionan de diferente forma.

En el contexto de las WSNs, el concepto de interoperabilidad se ha trabajado desde el enfo-

que de gestion de datos [24], conexion [43], capa de aplicacion [37], y vinculacion con redes

TCP/IP [26], lo cual con el advenimiento del Internet de las cosas, evidencia la necesidad

de crear sistemas heterogeneos que cumplan con los requerimientos de esta nueva tendencia,

que tiene como singularidad, la vinculacion de multiples tecnologıas. Ahora bien, caracterısti-

cas como [28] distancia de operacion, velocidad de transmision, tiempo de establecimiento,

fiabilidad de la conexion, ademas de robustez ante interferencias, definen la estructura y

tecnologıa de la WSN de una aplicacion particular, razon por la cual en primera instancia

se identificaran los estandares de comunicacion de mayor uso en WSN para posteriormente

construir una plataforma que permita la implementacion del concentrador con menor costo

y alta compatibilidad.

8 1 Generalidades

1.2. Justificacion

El uso de tecnologıas inalambricas para recolectar informacion de un entorno, esta creciendo

de manera exponencial en los ultimos anos, cada vez son mas los dispositivos inalambricos

que permiten invadir en menor proporcion el ambiente a sensar, ademas, de cubrir un sector

mucho mas amplio que si se utilizara una red convencional. A la fecha, se utilizan WSN

que involucran tecnologıas como NFC, Wifi, Bluetooth, ZigBee, entre otras, que permiten de

acuerdo a la necesidad del sistema, privilegiar ciertas caracterısticas. Con base en lo anterior

y de acuerdo al contexto, una plataforma interoperable se hace participe en el desarrollo de:

Sistemas autonomos y robotica: Permitiendo adquirir informacion mediante diversas

tecnologıas en multiples entornos, para ası, crear sistemas que puedan tomar decisiones.

Sistemas de seguridad: Involucrando y unificando en un concentrador caracterısticas

como control de acceso, vigilancia y medicion de variables meteorologicas, gases, entre

otros, que permitan implementar soluciones integrales en vigilancia.

Control de trafico: Logrando implementar modelos matematicos que optimicen el trafi-

co y para lo cual, se hace uso de variables como cantidad de usuarios del transporte

publico, tiempo de llegada de vehıculos, cantidad de vehıculos en la vıa, entre otros,

por lo cual, debido a la dinamica del sistema de transporte, se implementan diversas

tecnologıas que permiten acceder a esta informacion.

Procesos industriales: Debido a que las redes industriales utilizan las WSN como medio

de adquisicion de informacion para ejecutar los procesos automatizados, en el merca-

do existen multiples opciones que permiten cada dıa optimizar los procesos mediante

nuevas formas de adquisicion de datos, por lo cual, una plataforma interoperable sera

fundamental para implementar modificaciones en el proceso y aumentar la escalabili-

dad.

Internet de las cosas: Articulando las tecnologıas que permiten adquirir los datos ne-

cesarios para controlar los dispositivos de nuestro entorno: oficina, trabajo y hogar.

De esta forma, una plataforma interoperable hace parte fundamental de las redes inalambri-

cas de sensores, ya que integra los diferentes medios que existen para adquirir informacion

y a futuro debera implementarse para aunar las tecnologıas que cada dıa emergen.

1.3 Planteamiento del problema 9

1.3. Planteamiento del problema

Los estandares y protocolos de las WSNs en su implementacion garantizan seguridad, cali-

dad y consistencia. Un estandar es especificado de tal forma que permita interoperabilidad

con otra tecnologıa o servicio, sin embargo, en algunos contextos, surge la necesidad de uti-

lizar diferentes estandares para comunicar dispositivos que tienen su propia arquitectura y

protocolo, este proceso involucra la adquisicion de nuevos dispositivos y generalmente recons-

truccion de la red de comunicacion, ademas, de aumentar los costos en hardware necesarios

para manejar cada una de las tecnologıas. En los ultimos anos se desarrolla investigacion en

el ambito de heterogeneidad e interoperabilidad de estos sistemas, [23] [35] [37] [43], buscan-

do solucionar la necesidad de compatibilidad; de acuerdo a lo anterior, se plantea la siguiente

pregunta de investigacion:

¿Como solucionar los problemas de interoperabilidad en sistemas de

comunicacion inalambrica de sensores?

De esta manera se pretende implementar una plataforma concentradora con capacidades de

interoperabilidad, que permita el acceso a multiples tecnologıas, y lo cual constituya una

ventaja para la integracion de diferentes arquitecturas de redes inalambricas de sensores.

10 1 Generalidades

1.4. Objetivos

1.4.1. Objetivo General

Implementar un dispositivo programable que permita la interoperacion de diferentes tecno-

logıas de comunicacion inalambricas de sensores

1.4.2. Objetivos Especıficos

Determinar los estandares de comunicacion inalambricos de mayor uso en redes de

sensores

Identificar posibles plataformas hardware donde se pueden implementar estos estanda-

res de comunicacion

Implementar el sistema de comunicacion en la plataforma que permita la comunicacion

unidireccional de por lo menos 2 diferentes estandares de comunicacion

Desarrollar un protocolo de pruebas que permita corroborar el funcionamiento del

dispositivo.

2 Estandares de Comunicacion

Este capıtulo no pretende ser una fuente teorica avanzada, en su lugar, tendra como finalidad

analizar y comprender el funcionamiento de los estandares de comunicacion inalambrica mas

utilizados en redes de sensores, para posteriormente hacer una comparacion y elegir los dos

estandares con los que se va a desarrollar el proyecto.

2.1. Redes inalambricas de sensores

Las redes inalambricas de sensores (WSN) estan conformadas por dispositivos autonomos

distribuidos, los cuales monitorean condiciones fısicas o ambientales por medio de sensores.

Estas redes se basan en dispositivos de bajo costo y consumo, cuyo objetivo es la adquisicion

y el tratamiento de datos para obtener informacion de su entorno, ademas, de procesar y

comunicar estos datos a traves de enlaces inalambricos hasta una central de coordinacion

o un nodo central. Tradicionalmente se usaban cables para interconectar cada uno de los

nodos, pero sus caracterısticas eran altos costos de instalacion y mantenimiento, ademas de

baja escalabilidad, es por esto que las tecnologıas inalambricas han tenido tanto exito, pues

solucionan los problemas de la tecnologıa tradicional, ofreciendo nuevas caracterısticas como

alta resolucion, medicion en muchos lugares al mismo tiempo, ofrecen apoyo a la movilidad

de equipos, anade redundancia, entre otros; una de las mayores ventajas de las WSNs es que

permiten monitorear cualquier lugar por inaccesible que parezca [4].

2.1.1. Componentes de una red inalambrica de sensores

Una red de inalambrica de sensores consiste en un numero de sensores distribuidos espacial-

mente y un centro de control. Cada sensor obtiene informacion de su entorno convirtiendo

esta informacion en senales electricas, posteriormente el nodo del sensor procesa esta infor-

macion si es necesario y la direcciona al centro de control a traves de un gateway por medio

de una red inalambrica basada en algun estandar especıfico [5].

Los nodos o tambien llamados motes, son dispositivos pequenos y autonomos que funcionan

con baterıas similares a la de los telefonos celulares, pero que permiten ser cargadas por me-

dio de paneles solares cuando se requiera. Se basan en protocolos de bajo consumo, tienen la

capacidad de comunicarse entre si, gracias a la creacion de redes malladas [6]. Su estructura

12 2 Estandares de Comunicacion

consta de un procesador, una fuente de energıa, un radio-transceptor (RF) y un elemento

sensor como se ve en la figura 2-1.

Figura 2-1: Partes del nodo WSN. [36]

Las Redes Inalambricas de Sensores incorporan un gateway que proporciona la conectividad

entre la red de sensores y una red TCP/IP, por medio de una red inalambrica que se clasifican

segun su cobertura en:

Wireless Personal Area Network (WPAN): Red Inalambrica de Area Personal

Wireless Local Area Network (WLAN): Red Inalambrica de Area Local

Wireless Metropolitan Area Network (WMAN): Red Inalambrica de Area Metropoli-

tana

Wireless Wide Area Network (WWAN): Red Inalambrica de Area Extendida

Estas redes inalambricas se basan en un estandar de comunicacion especıfico dependiendo

del tipo de red. En este proyecto se manejaran redes de area personal y local, en consecuencia

entre los estandares de comunicacion que funcionan para estas redes, estan:

ZigBee

Bluetooth

NFC

Wifi

Estandar IEEE 802.15

Estandar IEEE 802.11

2.2 Redes inalambricas 13

2.2. Redes inalambricas

Una red inalambrica es aquella comunicacion que se realiza entre dispositivos que intercam-

bian informacion utilizando el espectro electromagnetico [40]. Estas redes se pueden clasificar

segun su alcance entre redes de area personal, local, metropolitana o extendida. A continua-

cion se explica de manera resumida las redes inalambricas de interes en este proyecto.

2.2.1. WPAN

Las WPAN presentan una importante limitacion de alcance, es una red para la comunicacion

entre dispositivos que deben estar poco separados, cercanos al punto de acceso. Estas redes

son de pocos metros, generalmente, se acepta como lımite el espacio de una habitacion o

una oficina [40]. Los estandares de comunicacion en las redes WPAN estan bajo el estandar

IEEE 802.15, entre los que mas se utilizan se encuentran:

ZigBee

Bluetooth

NFC

2.2.2. WLAN

Las WLAN son redes de cobertura geografica limitada, tienen una velocidad de transmision

relativamente alta, un bajo nivel de errores y puede ser administrada de manera privada. Su

comunicacion se realiza basicamente mediante microondas. Este tipo de redes, constituye un

sistema de comunicacion de datos inalambrico flexible, se consideran una extension y/o una

alternativa a las redes LAN con cables [40]. Los estandares de comunicacion mas comunes

en las redes WLAN estan diferenciados por las variantes del estandar IEEE 802.11, en los

que se encuentra el mas utilizado, Wifi.

2.2.3. Consideraciones generales para sistemas interoperables en

redes inalambricas de sensores

Debido a la naturaleza de la investigacion, se hace pertinente mencionar caracterısticas que

subyacen y son primordiales en el funcionamiento de plataformas interoperables para las

WSNs. De las cuales se destacan las descritas por [35] y se mencionan a continuacion:

Recursos limitados en nodos fuentes (Energıa, memoria y capacidad de computo).

Escalabilidad.

Topologıa y configuracion de red dinamica, ademas, de mantenimiento de la red.


Heterogeneidad entre hardware y aplicacion.

Compatibilidad de datos.

Mecanismos de calidad de servicio (Quality of Service (QoS)).

Seguridad.

Gestion de grupos o categorizacion de tecnologıa.

Registro y notificacion de eventos.

Estas singularidades son aspectos relevantes que se tendran en cuenta a la hora de desarrollar

la plataforma y pueden ser indicadores que aseguren el adecuado funcionamiento de la WSN

a la hora de insertar en ella la plataforma interoperable.

2.3. Estandares de comunicacion inalambrica

2.3.1. Bluetooth

Bluetooth es un estandar de comunicacion inalambrica, que pertenece a la especificacion

industrial IEEE 802.15.1 para redes WPAN. Este estandar permite la comunicacion senci-

lla de voz y datos entre dispositivos fijos o moviles, mediante un enlace por RF de forma

segura. Entre sus objetivos principales se encuentran la posibilidad de crear pequenas redes

inalambricas, facilitar la sincronizacion de datos entre equipos personales como computado-

ras moviles, telefonos celulares, tablets, eliminar cables y conectores, entre otros. Bluetooth

es una tecnologıa de pequena escala y bajo costo, permite conectar entre sı todo tipo de

dispositivos electronicos situados dentro de un radio entre 1 y 10 metros (el rango se puede

ampliar hasta 100 metros, pero se presenta mayor distorsion), estos dispositivos no necesitan

estar a la vista uno del otro, ya que las senales de RF pueden atravesar paredes y obje-

tos metalicos sin problema [1]. Al operar en una banda global, este estandar asegura una

compatibilidad universal.

2.3.1.1. Caracterısticas tecnicas

Una de las caracterısticas principales con las que cuenta este estandar es su bajo consumo

de potencia, este requisito es indispensable, pues es un estandar disenado para integrarse en

equipos alimentados por baterıas, por lo tanto debe consumir poca energıa. Bluetooth tra-

baja en la banda sin licencia ISM entre 2,4 GHz y 2,48 GHz; al ser las interferencias uno de

los problemas que presentan las redes inalambricas, Bluetooth utiliza la tecnologıa de salto

de frecuencia adaptable AFH para evitarlo, esta tecnologıa comprueba si otros dispositivos

estan transmitiendo en su rango y evita las frecuencias que estan siendo utilizadas.

2.3 Estandares de comunicacion inalambrica 15

Respecto al rango de alcance que tiene Bluetooth, este depende del tipo de dispositivos que

se este utilizando, y esto, dependera de la potencia de transmision que cada uno de estos

tenga. En la tabla 2-3 se puede observar una comparacion entre las diferentes clases de

dispositivos, su potencia de transmision y su alcance aproximado.

Clase Potencia maxima

permitida (mW)

Potencia maxima

permitida (dBm)

Rango (aproximado)

Clase 1 100 20 100 mClase 2 2.5 4 10 mClase 3 1 0 1 m

Tabla 2-1: Especificaciones de dispositivos Bluetooth segun su clase. [9]

Existen diferentes versiones del estandar Bluetooth que definen la velocidad de transmision

que tiene el canal. En la tabla 2-2 se puede observar la evolucion de las versiones y su

velocidad de transmision.

Version Velocidad de transmision (Mbps)Version 1.2 1

Version 2.0 + EDR 3Version 3.0 + HS 54

Version 4.0 1

Tabla 2-2: Velocidad de Transmision segun su version. [10]

Algunas de las caracterısticas tecnicas de este estandar se presentan resumidas a continuacion

[1], [9], [46]:

Banda de frecuencia: desde 2,4 GHz hasta 2,48 GHz.

Bajo consumo energetico.

Velocidad de transferencia: Depende de la version de Bluetooth que se este utilizando,

va desde 720 kbps hasta 54 Mbps.

Utiliza modulacion GFSK.

Transmision Fulla-Duplex.

Usa duplexacion en el tiempo TDD.

Alcance: 1-100 m.

Tipos de transferencia: orientado a conexion de tipo sıncrono (voz) y no orientados a

conexion de tipo asıncrono (datos).

Potencia de transmision: Depende de la clase de dispositivo, va desde 0 dBm hasta 20

dBm.


Multiplexacion: Expansion del espectro con saltos en frecuencia (FHSS) mediante saltos

de frecuencia, hasta un maximo de 1600 saltos por segundo entre 79 frecuencias, lo que

aporta seguridad y robustez a la red.

Topologıa: Maestro-esclavo. Soporta 1 maestro y hasta 7 esclavos, esta configuracion se

conoce con el nombre de piconet y un grupo de piconets es conocido como scatternet. El

maestro caracteriza el canal de una piconet, determina el salto en frecuencia, el codigo

de acceso al canal, controla el trafico del canal y da la senal de reloj que determina

la fase en la secuencia de saltos y los tiempos, y hace que todos los dispositivos se

sincronicen con el. Sin embargo, el maestro recibe esta categorizacion por iniciar la

conexion con uno o mas esclavos, es decir, que los roles de maestro y esclavo se pueden

intercambiar, por lo tanto, cualquier dispositivo puede ser maestro o esclavo en una

piconet.

2.3.1.2. Protocolos

Para lograr una interoperabilidad entre dispositivos de diferentes fabricantes que se quieran

comunicar mediante el estandar de Bluetooth, los dispositivos deben estar implementados

sobre la misma estructura de protocolos. En la figura 2-2 se puede ver la pila de protocolos

completa que utiliza Bluetooth para comunicarse.

Figura 2-2: Stack de Protocolos Bluetooth. [1]

Hay 2 clases de protocolos en la pila de protocolos de este estandar. La primera clase de

protocolos formada por los protocolos especıficos de Bluetooth, ubicados en las capas infe-

riores del modelo OSI, y una segunda clase formada por el conjunto de protocolos adoptados

de otras especificaciones, ubicados en las capas superiores. Por lo general, las aplicaciones

no utilizan los protocolos en su totalidad, pero esta especificacion permite a los fabricantes


desarrollar sus propias capas de aplicacion para aumentar las capacidades de sus aplicaciones

creadas sobre la tecnologıa Bluetooth. Adicionalmente la pila de protocolos se puede dividir

en 4 capas logicas [9]:

Protocolos centrales de Bluetooth: Bluetooth Radio, Banda base, L2CAP, LMP y SDP.

Protocolos de sustitucion de cable: RFCOMM.

Protocolos de control de telefonıa: TCS BIN y AT-Commands.

Protocolos adaptados: PPP, UDP y TCP/IP, OBEX, WAP, vCard, vCal y WAE.

Los protocolos centrales de Bluetooth han sido desarrollados en su totalidad por el grupo

de interes social de Bluetooth (SIG), el cual es un grupo de companıas que trabajan juntas

para desarrollar, promover, definir y publicar las especificaciones del estandar Bluetooth pa-

ra la conexion entre dispositivos, este grupo establece un estandar con el fin de asegurar la

interoperabilidad de los equipos entre diferentes fabricantes.

Bluetooth Radio

La capa de radio es la inferior del estandar y hace parte de la capa fısica del modelo OSI, es

la encargada de definir los requisitos para la transmision o recepcion de datos en la banda

de los 2,4 - 2,48 GHz. Utiliza el metodo de FHSS y TDD, dando lugar a una frecuencia

de salto de 1600 saltos por segundo, entre 79 frecuencias de 1 MHz de ancho de banda

para darle robustez a la red, clasifica los dispositivos segun la potencia de transmision y el

rango de trabajo como se ve en la tabla 2-3, ademas, utiliza modulacion GFSK, entre otras

caracterısticas de esta capa.

Banda Base

La capa de banda base es la capa mas importante de la pila de protocolos de Bluetooth

[46], hace parte de la capa fısica del modelo OSI. Entre sus funciones esta la de controlar los

canales y enlaces fısicos, se encarga de la sincronizacion, control de flujo, control del medio,

codificacion, decodificacion, control de errores y seguridad. Esta capa soporta conexiones de

tipo sincrono (SCO) y de tipo asıncrono (ACL).

L2CAP

El protocolo de adaptacion y control de enlace logico es el encargado de adaptar los proto-

colos de capas superiores al protocolo de la capa de banda base. Entre sus funciones estan:

Proporcionar servicios orientados o no orientados a la conexion para protocolos de capas

superiores por medio de multiplexacion, proporciona QoS, descubrimiento de dispositivos,

segmentacion y reensamblado de paquetes de datos.


LMP

El protocolo de administrador de enlaces, se encarga de establecer de manera segura y

controlada los canales logicos entre dispositivos. Los mensajes de este protocolo tienen mayor

prioridad que los mensajes del usuario. Define una serie de mensajes llamados Protocol Data

Units (PDU), que controla el rol de maestro o esclavo del dispositivo [46].

SDP

Este protocolo se encarga de proporcionar a las aplicaciones cuales son los servicios que hay

disponibles en los dispositivos Bluetooth y sus respectivas caracterısticas. Este protocolo solo

informa los servicios disponibles, mas no define como se debe conectar a este.

RFCOMM

Este protocolo permite una emulacion del puerto serie RS232 sobre un canal L2CAP. Es

capaz de emular hasta 60 conexiones simultaneas entre dispositivos Bluetooth. Se tiene 2

tipos de dispositivos: Dispositivos terminales de comunicacion y dispositivos que hacen parte

de un segmento de la comunicacion [1].

TCS BIN y AT-Commands

Este protocolo proporciona el control, establecimiento y liberacion de la llamada entre dis-

positivos Bluetooth. En otras palabras, este protocolo se encarga de proveer al usuario con

servicios de telefonıa.

Los demas protocolos, se aplican a los protocolos orientados a aplicacion; lo que permite a

las diferentes aplicaciones correr sobre los protocolos centrales de Bluetooth.

2.3.1.3. Versiones

Hoy en dıa existen diferentes versiones de Bluetooth. Cada una de las nuevas versiones busca

mejorar caracterısticas tecnicas de la version inmediatamente anterior, existen alrededor de

7 diferentes versiones, algunas de las cuales ya no se usan y otras dependen de la tecnologıa

que use el dispositivo y de lo nuevo que sea este.

Las versiones mas utilizadas son: Bluetooth Core 2.1 + EDR conocida como Basic Ra-

te/Enhanced Data Rate (BR/EDR), que tiene mayor velocidad de transmision de datos;

entre sus mejores estan: facilitar que los consumidores se conectan a los dispositivos Blue-

tooth y encuentren automaticamente otros dispositivos, soporta una tasa de bits de 3Mbps,

aumenta la duracion de la baterıa en los dispositivos, proporciona mayor seguridad en la

transmision de datos y permite el uso de comunicacion NFC. Por otro lado, se encuentra la


version de Bluetooth con bajo consumo de energıa (BLE), conocida como Bluetooth Smart o

Bluetooth 4.0; esta version esta disenada para dispositivos que estan activos durante largos

periodos y funcionan con alguna fuente de energıa pequena, esta enfocada en la creacion

de sensores pequenos que funcionan con pequenas baterıas durante meses debido a su bajo

consumo de potencia en modo de reposo, permite la interoperabilidad entre multiples pro-

veedores y su tasa de bit es de 1 Mbps. Los grandes avances en este estandar inalambrico,

permite encontrarlo en millones de dispositivos hoy en dıa, promoviendo el desarrollo del

Internet de las cosas (IoT), alcanzando a un publico mas amplio mediante el aprovechamien-

to de un ecosistema en el que existen millones de dispositivos Bluetooth y el cual esta en

constante crecimiento [11].

2.3.1.4. Aplicaciones

Hoy en dıa existen millones de dispositivos Bluetooth, es difıcil encontrar un dispositivo que

no implemente este estandar, se puede encontrar Bluetooth en carros, telefonos, computado-

res, televisores, auriculares, consolas de juegos, tabletas, entre otros. Unas de las aplicaciones

mas populares de Bluetooth han sido los auriculares y altavoces inalambricos, que permiten

la conectividad del telefono o tablet con el carro o con cualquier otro dispositivo al que se

le pueda transmitir la musica o una simple llamada. Sin embargo, con el constante trabajo

por mejorar las caracterısticas de Bluetooth con cada una de sus nuevas versiones, se esta

ampliando cada vez mas el campo de aplicacion de este estandar, por ejemplo, con la version

de bajo consumo de energıa, se pueden crear pequenos sensores que funcionan con baterıas

diminutas durante meses o anos. Segun el Bluetooth SIG .El mercado esta limitado solo por

la imaginacion del desarrollador.”[11].

2.3.2. ZigBee

Uno de los estandares de comunicacion inalambrica mas utilizados es Zigbee, debido a que

permite disminuir el consumo de la red gestionando la energıa de sus nodos y su nivel de

operacion permite adaptarse a varias aplicaciones. Este estandar es desarrollado por Zigbee

Alliance, el cual esta conformado por un grupo de multinacionales que innovan y crean

tecnologıas en comunicaciones. Su arquitectura se basada en el modelo OSI y la componen

principalmente [21]:

Capa fısica PHY y capa de control de acceso al medio MAC, definida por el protocolo

802.15.4.

Capa de red NWK.

Capa de aplicacion APL, compuesta por una capa de interfaz APS entre la capa de

red.


Figura 2-3: Capas implementadas por Estandar ZigBee. [3]

Para su funcionamiento general, la capa fısica esta encargada de establecer los canales de

comunicacion, de acuerdo a la banda de funcionamiento y tipo de tecnologıa permite modu-

lacion, BPSK, O-QPSK o ASK, la cantidad de canales puede ser maximo de 26 a 2,4 MHz.

ademas de esto, la capa fısica permite:

Deteccion de energıa en cada canal, considerando un nivel mınimo o identificando

dispositivos que transmitan implementando el protocolo 802.15.4 . Esto permite hacer

analisis de canales libres.

Establecer y clasificar la calidad de informacion recibida mediante LQI.

La capa de acceso al medio se estudiara en detalle al describir el funcionamiento del protocolo

802.15.4, lo que resulta importante en este caso, son los servicios especiales que ofrece al

estandar y se describen a continuacion:

Generacion de tramas tipo baliza o TDMA, con ranuras de tiempo garantizada para

cada nodo de la red.

Manejo de supertramas, lo que involucra espaciado entre tramas, duracion de super-

tramas, intervalo entre balizas, entre otros parametros.


Vinculacion y desvinculacion de un nodo a la red, ası como generacion de una red. Este

proceso se da conservando la secuencia de solicitud–respuesta que se da con mensajes

del tipo requisito, indicacion, respuesta y confirmacion.

Habilitacion/deshabilitacion del receptor durante un periodo dado de tiempo y de esta

forma ahorrar energıa.

Diagnostico y revinculacion de nodos que se desvinculan de la red sin cumplir con un

proceso de habilitacion/deshabilitacion.

Inicializacion del dispositivo, reset y configuracion de arranque.

Barrido de canales para conocer su ocupacion y para lo cual utiliza tecnicas como:

nivel de energıa de cada canal, dispositivo a la espera de ser conectado e identificacion

de dispositivos, escuchando la respuesta a una trama baliza o mediante una solicitud

enviada por un dispositivo.

Gestionar el sincronismo con el coordinador, especialmente si se trabaja con balizas.

Establecer alguno de los 4 formatos dados para una trama MAC, estos son, trama de:

comando, baliza, datos y acknowledge.

La capa de red se encarga principalmente de:

Definir el rol del dispositivo (coordinador, enruteador/encaminador o dispositivo final).

Establecer la topologia.

Definir el mecanismo de ruteo como por el ejemplo AODV (Ad hoc On-demand Dis-

tance Vector).

Asignar direcciones a los nodos para establecer la red.

Proveer seguridad, como por ejemplo, implementando un elemento de red llamado

Trust Center [34] que permite provisionar una clave de enlace.

Los mensaje que se emiten desde esta capa puede ser del tipo unicast, donde existe un unico

destino para el mensaje, multicast, donde un grupo es destino del mensaje o broadcast, donde

todos los dispositivos del dominio de red son destino del mensaje. En cuanto a su arquitec-

tura, los dispositivos que pertenecen a una red zigbee tienen 3 roles definidos desarrollados

en [21], estos son:

Coordinador(FFD): El cual gestiona en su totalidad todos los recursos de la red.

Encaminador(FFD o RFD): El cual permite administrar y definir los caminos por don-

de viaja la informacion desde los dispositivos fuente hasta el concentrador o dispositivo

destino.


Dispositivo final o fuente (FFD O RFD): Como funcion principal adquiere los datos.

Estos dispositivos pueden ser de funcion completa FFD o funcion reducida RFD, con lo cual,

se ve limitada su operacion. En cuanto a su topologıa, debido a que su especificacion se basa

en el estandar 802.15.4, son validas las topologıas:

Estrella: Donde cada dispositivo final se comunica por medio del coordinador y/o

encaminador.

Punto a punto: Donde todos los dispositivos se comunican entre sı, de acuerdo a su

rol. De esta, se destaca su implementacion en:

• Malla: Donde todos los dispositivos se comunican con cualquier nodo de la red.

• Arbol: Donde los dispositivos se comunican directamente solo con dispositivos

que tienen el mismo encaminador o coordinador (Coordinador analogo a tronco ,

encaminador analogo a ramas y dispositivos finales analogos a hojas).

Para interoperar entre sus capas el estandar, se hace uso del concepto cliente servidor [17],

con lo cual una capa solicita servicios a su capa vecina mediante un SAP y cumpliendo con

una comunicacion que se divide en: Pedido, confirmacion , respuesta e indicacion. Por otra

parte el flujo de informacion entre capas se divide en informacion de datos e informacion de

administracion, soporte y gestion, esto se puede evidenciar en la figura 2-3, donde los datos

usan los SAP PD-SAP, MCPS-SAP, NLDE-SAP y la informacion de gestion usa los SAP,

PLME-SAP, MLME-SAP, NLME-SAP. Como se menciono, la capa de aplicacion se compone

de la subcapa APS , los objetos dispositivos zigbee ZDO y una seccion de perfil de aplicacion.

La APS brinda servicios de soporte a NWK, teniendo como responsabilidad [17]:

Descubrir dispositivos que operan cerca a este.

Enlazar dos o mas dispositivos que se relacionan por el servicio que prestan o su

necesidad.

Esta capa es necesaria debido a que relaciona los dispositivos de acuerdo a su perfil de apli-

cacion y es la que permite que los fabricantes trabajen independientemente de su desarrollo.

Ahora bien, los perfiles de aplicacion especifican el tamano y formato de los datos a transmi-

tir por los elementos o dispositivos que conforman la red, ademas, de definir una estructura

para los mensajes y las acciones o funciones que realiza el dispositivo [12]. En esa medida,

hacen uso de los siguientes conceptos:

Cluster: Grupo de atributos que comparten el mismo fin.

Endpoint: Define una funcion u objetivo de la aplicacion.


La figura 2-4 es un ejemplo que permite comprender los conceptos descritos anteriormente.

Figura 2-4: Ejemplo perfil de aplicacion estandar ZigBee. [12]

Los perfiles de aplicacion pueden ser del tipo publico desarrollados por la alianza ZigBee, o

privados, desarrollados por fabricantes independientes y que ocasionalmente proveen inter-

operabilidad. Por su parte los ZDO cumplen con la funcion de:

Inicializar la subcapa de soporte de aplicacion, la capa de red y los perfiles de aplicacion.

Entregar detalles de bajo nivel para los perfiles de aplicacion .

Reunir informacion de configuracion de las aplicaciones finales para determinar e im-

plementar el descubrimiento, administracion de seguridad, administracion de redes y

gestion de enlace.



Zigbee se caracteriza por tener 3 frecuencias de operacion, las cuales de acuerdo al paıs y

aplicacion son mas convenientes, estas cuentan con las siguientes particularidades:

Banda de Frecuencia Canales Tasa de Transferencia Region Permitida2,4 MHz 16 250 Kb/s Mundo945 MHz 10 40 Kb/s America868 MHz 1 20 Kb/s Europa

Tabla 2-3: Frecuencias de operacion y velocidad de transmision estandar ZigBee. [12]

La distancia de operacion dependera como casi en cualquier WSN de la potencia de trans-

mision, ademas de estar relacionada con la velocidad de operacion, en el estandar ZigBee,

estas relaciones se dan de la siguiente forma:

Potencia (mW)/Velocidad(Kbps) 1mW 10mW 100mW28 Kbps 23 m 54 m 154 m250 Kbps 13m 29m 66m

Tabla 2-4: Distancia de operacion en relacion a la potencia y velocidad de transmision

estandar ZigBee. [34]

Zigbbe puede tener como maximo 64770 nodos en su red [34]. Para operar, el estandar

especifica caracterısticas de suma importancia en la WSN, estas son:

Bajo consumo en sus nodos, lo cual permite utilizar energıas alternativas o en su defecto

fuentes de alimentacion como baterıas.

Bajo costo de sus dispositivos en cuanto a instalacion y mantenimiento [17].

Desarrollo de perfiles de aplicacion que cumplen con la necesidad a solucionar para

utilizar una WSN.

Baja latencia para aplicaciones de comunicacion intermitente o con datos periodicos

que necesitan una comunicacion garantizada GTS.

Admite utilizar ranuras de tiempo que hacen mas eficiente la comunicacion.

Gestionar aspectos de seguridad desde la capa de red, siendo esta desarrollada en cada

nodo.

2.3.2.2. Protocolos

Hasta el momento se analizo en forma general el funcionamiento del estandar. Su aplicacion,

involucra algunos protocolos que merecen ser analizados por la finalidad del trabajo. Ası,


ZigBee cuenta principalmente con los siguientes protocolos:

Estandar IEEE 802.15.4 Describe la funcionalidades y requerimientos para implementar

las capa fısica y de enlace de datos en gran porcentaje de comunicaciones inalambricas, las

caracterısticas generales que ofrece de acuerdo a [38], [1],[30] son:

Desarrollado para LR-WPANs con 2 revisiones o actualizaciones.

Tasa de transmision de datos: 851 Kbps, 250 Kbps, 100 Kbps, 40 Kbps y 20 Kbps. La

cobertura de la red es inversamente proporcional a la tasa de transmision, por lo cual

se genera un compromiso cobertura-tasa de transferencia dependiendo de los requisitos

de la aplicacion.

Topologıas de red soportadas: estrella o peer-to-peer.

Tipos de direcciones: cortas de 16 bits (pensadas para ahorrar energıa) o extendidas

de 64 bits.

Tiene mecanismos de acceso al medio del tipo : CSMA-CA (Carrier Sense - Multiple

Access with Collision Avoidance) o ALOHA, este ultimo solo para UWB (Ultra Wide

Band).

Mecanismo de acceso al medio libre de contienda: GTS (Guaranteed Time Slot).

Bajo consumo de energıa.

Permite elegir el canal mas adecuado para establecer la WPAN, a partir de la deteccion

de energıa (ED).

Indicacion de calidad del enlace LQI.

Contiene 16 canales disponibles en la banda de 2450 MHz, 30 en la banda de 915 MHz,

3 en la banda de 868 MHz, 14 en la banda de 2450 MHz, haciendo uso de espectro

ensanchado de chirps solapados (CSS, Chirp Spread Spectrum) y 16 en tres bandas

UWB (500 MHz y DE 3,1 GHz a 10,6 GHz).

Protocolo con handshake o dialogo que permite mejorar la seguridad en las transferen-

cias.

Permite el uso de TDMA

Advanced Encription Standard AES [42],[39] Es un estandar utilizado para cifrado de

clave secreta o sistema de cifrado simetrico para encriptar y desencriptar los datos organiza-

dos en la misma longitud de la clave (128, 192 o 256 bits). Este estandar tiene las siguientes

particularidades:


Facil de implementar, utilizando pocos recursos computacionales y tiempo razonable

de ejecucion.

Toma como elemento de analisis el byte y realiza operaciones en el campo de Galois.

No aumenta el tamano del mensaje.

Estandar muy difundido y de alta seguridad. La seguridad depende de un variable

que comparte el emisor y el receptor, de tal forma, que la transmision de la clave

debe hacerse mediante algun medio seguro, En Zigbee se especifican 3 metodos para

acceder a la clave: preinstalacion, transporte de la clave y establecimiento de clave sin

comunicacion [17], este ultimo metodo hace uso del protocolo SKKE o establecimiento

de clave simetrica.

Por otro lado de acuerdo a la funcionalidad, ZigBee desarrolla un perfil de aplicacion que

hace las veces de estandar en la capa de aplicacion, al dıa de hoy se pueden resaltar los

siguientes [54]:

Home automation: Permite optimizar el rendimiento de la red en edificios y casas

inteligentes, cuenta con las siguientes caracterısticas:

• Auto-organizacion de la red para simplificar la instalacion y el mantenimiento.

• Prevencion de interferencia.

• Uso de los telefonos inteligentes para controlar el hogar.

• Monitorea el uso de la energıa.

• Alcance de 70m en interiores y 400m en exteriores.

• Solucion escalable con miles de dispositivos que pueden acceder a la red.

• Baterıa de larga duracion, 7 anos para dispositivos de seguridad.

• Estandar abierto.

Building Automation: Su desarrollo esta acompanado por la companıa BACnet,

lıder mundial en la automatizacion de edificios, sus caracterısticas principales son:

• Reduce el costo de integracion de los sistemas mediante el uso de puertas de

enlace.

• Los sensores se pueden mover facilmente dentro de una zona de control, para una

mejor deteccion de la temperatura, C02, niveles de luz y la humedad, entre otros.

• Reduce el uso de materiales de fabricacion caros y de alto consumo energetico,

como el cobre o plastico de aislamiento.

• Estandar abierto.


Retail Service: Es un nuevo estandar industrial enfocado al entorno minorista y que

brinda servicios a los compradores, mejorando la experiencia en compras, gestion de

archivos, control de empleados, entre otros. Se caracteriza por:

• Codigo de barras para aplicaciones especıficas.

• Soporte basico de voz, mensaje de texto y fotografıa.

• Implementacion de carritos de compra inteligentes.

• Multiradio.

• Reduccion de perdidas de productos en el almacen.

• Trabaja en 2,4 GHz, 915 MHz, y 868MHz.

Smart Energy: Es un estandar mundial para los dispositivos interoperables que su-

pervisan, controlan, informan y automatizan la entrega y el uso de energıa y agua.

Cuenta con las siguientes caracterısticas.

• Multiples productos, en el ambito de electricidad, gas, agua y energıa termica.

• Dispositivos con alimentacion mediante baterıa o red electrica.

• Trabaja con informacion historica (dıa anterior, dıa de hoy).

• Posibilidad de grabar tanto la generacion como el consumo.

• Maneja multiples monedas (utilizando la norma ISO 4217).

Health Care: Es un estandar global que permite gestionar en forma segura y confiable

los servicios de salud, no crıticos y de baja agudeza. Permite tratar enfermedades

cronicas, como envejecimiento, la salud en general, bienestar y fitness. Este estandar

cuenta con las siguientes caracterısticas:

• Permitir el monitoreo remoto y confiable a pacientes.

• Proporcionar capacidades de localizacion en tiempo real.

• Permite la colaboracion entre los dispositivos para la gestion de multiples enfer-

medades cronicas.

• Dispone de sensores para uso en el cuerpo.

• Optimiza la velocidad de transferencia de datos.

• Caracterısticas de soporte escalable para la seguridad de los datos y la privacidad.

• Soporte completo para perfiles de especializacion 11073 dispositivo IEEE.

• Larga vida de la baterıa, de esta forma es de bajo costo para dispositivos portatiles.


Telecom Services: Es un estandar global que permite una amplia variedad de servi-

cios de valor anadido, como por ejemplo: distribucion de informacion, juegos moviles,

servicios basados en localizacion, pagos moviles seguros, publicidad movil, zonas de

facturacion, control de acceso a oficinas y el intercambio de datos peer-to-peer. El

estandar se caracteriza por:

• Facil conexion a internet.

• Mecanismos contra interferencias y agilidad en establecimiento de canales.

• Operacion demostrada con Bluetooth y Wi-Fi.

• Enrutamiento Multi-hop, capaz de vincular un gran numero de nodos.

Remote Control: Es un estandar global para controles remotos de RF avanzada,con

menor consumo y mas faciles de usar, elimina las restricciones de lınea de vista al

tiempo que proporciona una comunicacion bidireccional. Se caracteriza por:

• Permitir navegar por el contenido de los mandos a distancia LCD.

• Menor consumo de energıa que IR.

• Respuesta mas rapida que IR.

• Permitir enviar guıas de programas, listas de valores, actualizaciones de firmware,

entre otros, a componentes remotos.

Input Device: Es un estandar global con menor consumo, innovador y facil de usar.

Optimiza la conexion de ratones, teclados, paneles tactiles y otros dispositivos de entra-

da a los ordenadores y dispositivos electronicos de consumo (CE). Tiene las siguientes

singularidades:

• Soporta comandos multi-touch y gestos.

• Mecanismo de seguridad automatico, proporcionando seguridad en transferencias

de datos.

• Operacion mediante tres canales.

• Tiene un mecanismo de seguridad mediante la generacion de claves.

Light Link: Estandar global que permite controlar de manera inalambrica: bombillas

de luz, temporizadores, controles remotos e interruptores. Tiene como singularidad:

• Facil instalacion.

• Implementar el concepto de redes de auto-organizacion.

• Evitar la interferencia.

• Acceso a internet.


• Uso de canales especıficos para maximizar el rendimiento y la convivencia con

otros dispositivos inalambricos en los hogares.

Vale la pena mencionar que se pueden implementar varios perfiles en un mismo dispositivo

y muchas veces comparten funcionalidades.

2.3.2.3. Versiones

ZigBee es un estandar desarrollado desde el 2002 y en su proceso de evolucion a tenido

principalmente 4 actualizaciones, que se describen a continuacion:

Version del

protocolo

Compatibilidad y comenta-

riosZigBee 2004 Primera especificacion publicada en 2005.ZigBee 2006 No compatible con ZigBee 2004.ZigBee 2007 Tiene 2 opciones de implementacion Zig-

Bee y ZigBee PRO, compatibles entre si

y ademas compatibles con ZigBee 2006.ZigBee RF4CE

(2009)

Es una version mas simple con funciones

especiales para mandos a distancia, com-

patible con la biblioteca ZigBee [13], tiene

su ultima actualizacion en ZCR 2.0. Com-

patible con la tecnologıa infrarroja de dis-

positivos convencionales.ZigBee 3.0 (Inicio de

certificacion 2015)

[13], [54]

Implementa los estandar ZigBee Green

Power, el cual brinda el servicio de ultra

baja potencia que ofrece ventajas a dis-

positivos recolectores de energıa (disposi-

tivos sin baterıas) y ZigBee RF4CE.

Tabla 2-5: Versiones y contribuciones estandar ZigBee. [12],[3]

A lo largo del tiempo, estas actualizaciones presentan mejoras en los siguientes aspectos [55]:

Control de interferencias, siendo esta ultima mejorada en el aspecto de seleccion de

canal e identificacion de una posible red.

Gestion de direccionamiento, siendo mejorada generando un sistema automatico de

direcciones para los dispositivos.

Direccionamiento por grupo de dispositivos , ası se ahorra recursos de la red.


Recoleccion de datos centralizada.

Seguridad principalmente en la capa de aplicacion.

Escalabilidad de la red, tamano del mensaje y soportes para librerıas de cluster.

Estandarizacion del servicio.

En la actualidad, ZigBee se encarga en desarrollar perfiles de aplicacion tales que cumpla con

caracterısticas particulares en el sector de la industria, el hogar, la seguridad, motorizacion,

entre otros.

Cabe resaltar que ZigBee 3.0 augura una solucion innovadora para el advenimiento del IoT

[13], debido a la gran variedad de dispositivos certificados por zigBee y a la mejora en atribu-

tos de la capa de red de la especificacion zigBee tratada hasta el momento, luego es normal,

que su implementacion aun no este consolidada.

Para nuestro estudio se hace enfasis en la especificacion ZigBee 2007 [3], que tiene su ultima

actualizacion en septiembre del 2012. Se utiliza esta version ya que es la base de las futuras

aplicaciones y cuenta con gran variedad de sensores disponibles en el mercado.


Sin lugar a dudas, ZigBee ofrece una amplia gama de aplicaciones, debido a que su estandar

se estructura de tal forma, que mediante los perfiles de aplicacion se puede cumplir con los

requisitos necesarios para una aplicacion particular. Ademas de las aplicaciones mencionadas

por los perfiles de aplicacion descritos anteriormente, ZigBee ofrece la posibilidad de:

Desarrollar las aplicaciones que implican movilidad, como por ejemplo sistemas de

transporte.

Ofrecer aplicaciones en todo lo relacionado con la domotica e Inmotica.

Contribuir con temas relacionados a la automatizacion industrial M2M, P2M O M2P.

2.3.3. NFC

La comunicacion de campo cercano (Near Field Comunication) es un estandar de comuni-

cacion inalambrica de corto alcance que permite el intercambio de datos entre dispositivos

moviles. Este estandar se comunica mediante el uso de campos electromagneticos, lo que

lo diferencia de otros estandares como Bluetooth y Wifi, utiliza los principios de la tec-

nologıa RFID, sin embargo ofrece muchos mas beneficios, como la seguridad debido a su

corto alcance, no requieren mucha potencia electrica para funcionar y se integran facilmente

en los telefonos moviles. Una de las caracterısticas mas relevantes de este estandar es su

compatibilidad con otras tecnologıas inalambricas existentes como Bluetooth y RFID [14].



NFC trabaja en la banda de frecuencia libre de 13,56 MHz, transfiere datos hasta una veloci-

dad de 424 Kbps de forma bidireccional y tiene un rango de cobertura de aproximadamente

10 cm [53]. Este estandar no esta disenado para transmitir grandes cantidades de datos, por

el contrario, se enfoca en transmitir informacion de forma rapida y segura, que son sus prin-

cipales ventajas frente a otros estandares de comunicacion inalambrica, ofreciendo robustez

y confidencialidad.

Este estandar es una extension de la norma ISO/IEC -14443, el cual es un estandar inter-

nacional relacionado con tarjetas de identificacion electronicas de proximidad. NFC es una

tecnologıa estandarizada en la norma ISO/IEC 18092 y la norma ECMA 340, estos estanda-

res especifican esquemas de modulacion, codificacion, velocidades de transferencia y formato

de la trama, ademas define esquemas de inicializacion y condiciones que son necesarias para

el control de colisiones durante sus modos de comunicacion y definen el protocolo de la capa

de transporte. La interfaz de aire de NFC esta estandarizado con las normas ISO/IEC 18092

y ISO/IEC 21481, que en otras palabras son los protocolos 1 (NFCIP-2) y 2 (NFCIP-2) de

NFC [14]. Ademas, existe un grupo denominado NFC Forum, que tiene como objetivo pro-

mover el uso de este estandar garantizando la interoperabilidad entre dispositivos y servicios

[53].

Existen dos modos de funcionamiento para los dispositivos NFC [53]:

Activo: Cuando ambos dispositivos necesitan energıa para funcionar, generando un

campo electromagnetico propio, que utilizan para transmitir sus datos. Las etiquetas

activas pueden funcionar como receptor o transmisor de informacion.

Pasivo: Solo un dispositivo genera el campo electromagnetico, al cual el otro se conecta

y establece la comunicacion, el dispositivo que general el campo por lo general es el

lector. Las etiquetas que intervienen en este modo no requieren alimentacion propia,

pues la energıa la proporciona el que inicia la comunicacion, generando un campo

electromagnetico. Los dispositivos pasivos contienen informacion que otros dispositivos

pueden leer, pero este no puede leer ninguna informacion.

Esta caracterıstica de funcionar en modo activo o pasivo, hace que los dispositivos NFC

sean unicos dentro de otros estandares de comunicacion sin contacto, dependiendo de estas

funciones (enviar o recibir datos), un dispositivo NFC puede ser un Iniciador (Initiator) o un

Objetivo (Target), que son los dispositivos que inician y controlan el intercambio de infor-

macion o los que responden a los requerimientos del iniciador respectivamente. NFC utiliza

modulacion ASK con distintos ındices de modulacion, dependiendo la tasa de transmision,

que estan comprendidas entre 106 Kbps, 212 Kbps y 424 Kbps. Existen dos elementos im-

portantes en este estandar: Etiqueta, el cual es un dispositivo simple, contiene una antena y


una pequena memoria, este dispositivo es accionado por un campo magnetico y su memoria

puede ser de solo lectura, regrabable o solo se puede escribir una vez, su funcionamiento

no puede ser activo, sino solo pasivo; Lector, es un dispositivo activo que genera senales de

radio para comunicarse con las etiquetas [53].

Los dispositivos NFC tienen tres configuraciones o maneras distintas de operar:

Modo Lectura/Escritura: El dispositivo esta en capacidad de leer y escribir informacion

de cualquier otro terminal con el que se conecte. Es capaz de leer los 4 tipos de etiquetas

que especifica el NFC Forum.

Modo P2P: Dos dispositivos pueden intercambiar informacion como lo harıan otros

estandares de comunicacion como Bluetooth o Wi-Fi.

Modo emulacion de tarjeta inteligente: Un dispositivo se comporta como una etiqueta

NFC o una tarjeta sin contacto que intercambia informacion con un terminal.

Los 4 tipos de etiquetas que todo dispositivo NFC debe soportar, son [20]:

Tipo 1: Basado en ISO/IEC 14443A. Posee una capacidad de hasta 1 kbytes, lectura

y escritura y velocidades de transmision de 106 Kbps. Son etiquetas de bajo costo.

Tipo 2: Basado en ISO/IEC 14443A. Posee una capacidad de 0,5 kbytes, lectura y

escritura y velocidades de transmision de 106 Kbps. Etiquetas de bajo costo.

Tipo 3: Basado en FeliCa. Se pre configura de fabrica para tener la capacidad de ser

de lectura o escritura, la memoria es variable, el lımite es de 1 MBytes, y velocidades

de transmision de 212 Kbps. El costo es mayor que el tipo 1 y 2.

Tipo 4: Basado en ISO/IEC 14443. Se pre configura de fabrica para tener la capacidad

de ser de lectura o escritura, la memoria es variable, el lımite es de 32 kbytes, y

velocidad de comunicacion de 106 – 424 kbps la interfaz de comunicacion es compatible

con ISO/IEC 14443 Tipo A (normal) o ISO/IEC 14443 Tipo B (banking/short range).

Para establecer una comunicacion basada en NFC se necesitan 5 fases importantes, cada una

de estas tiene una funcion especıfica [52]:

Descubrimiento: Los dispositivos inician una etapa de rastreo del uno al otro y poste-

riormente su reconocimiento.

Autenticacion: Los dispositivos verifican si el otro dispositivo tiene autorizacion para

establecer la comunicacion, o se necesita algun tipo de cifrado.

Negociacion: Los dispositivos definen los parametros como: velocidad de transmision,

identificacion del dispositivo, tamano, tipo de aplicacion, accion.


Transferencia: Despues de tener establecida la etapa de negociacion, se inicia el inter-

cambio de datos.

Confirmacion: El dispositivo receptor confirma el establecimiento de la comunicacion

y la transferencia de datos.

El estandar NFC no ofrece por sı mismo comunicaciones seguras, ni alguna proteccion contra

los que escuchan comunicaciones que no son propias; las aplicaciones deben usar protocolos

criptograficos para establecer un canal seguro, sin embargo, estas desventajas se contrarrestan

con la distancia de operacion que usa NFC, ya que las comunicaciones solo se activan en

un rango muy limitado, lo que reduce o limita el uso de la tecnologıa sin conocimiento del

usuario. Es por esto que las caracterısticas de confianza y seguridad son innatas de este

estandar, ademas de evitar errores de comunicacion y proporcionar cierta eficacia en la

transmision de datos [14].

2.3.3.2. Protocolos

Al igual que todos los estandares de comunicacion, el funcionamiento de NFC debe basarse en

protocolos que lo estandaricen y permitan la interoperabilidad entre diferentes dispositivos.

Se definen 3 estandares por parte del NFC Forum:

NFC Data Exchange (NDEF)

NDEF es un formato de intercambio de datos, el cual permite utilizar cualquier tipo de

etiqueta para guardar y transportar diferentes tipos de datos. La especificacion NDEF define

un formato binario que encapsula el mensaje para el intercambio de datos entre dispositivos

NFC o entre dispositivos y etiquetas NFC, el mensaje consiste en una secuencia de registros

donde cada registro lleva una carga util y una cabecera, la carga util tiene un tipo de

datos especıfico de la aplicacion NFC y la cabecera especifica el tipo de dato y el tamano

del registro. Este protocolo solo especifica la estructura del formato, es el mismo tanto para

dispositivos como para etiquetas NFC, es decir que la informacion de NDEF es independiente

del tipo de dispositivos que se esten comunicando [52].

Record Type Definition (RTD)

El protocolo de Definicion de Tipo de Registro, provee las especificaciones de los registros

que se le pueden agregan a la trama NDEF para especificar el contenido de la carga util. El

NFC Forum especifica unos tipos especiales de datos [53]:

NFC texto RTD: Contiene solamente datos de texto liviano.

NFC URL RTD: Almacena una direccion web, un correo electronica o numero de

telefono en formato binario, lo cual permite acceder a recursos de internet o transportar

identificadores de recursos URL de un dispositivo a otro.


NFC Posters Inteligentes RTD: Incorpora datos como SMS, URL o numeros de telefo-

nos en etiquetas NFC o los transporta entre dispositivos.

NFC de control generico RTD: Permite enviar ordenes a otros dispositivos, ademas da

acceso a funciones o especificaciones que no pueden ser expresadas por otros RTD.

NFC firma RTD: Contiene una firma digital en la etiqueta, como metodo de seguridad.

Se pueden usar diferentes firmas para diferentes registros.

Logical Link Control Protocol (LLCP)

Este protocolo es un protocolo de nivel de capa de enlace, su objetivo es mejorar la operacion

en el modo P2P, permite que ambos dispositivos envıen y reciban datos, basandose en una

conexion bidirecional. Permite que los dispositivos intercambien datos mediante la opcion

de orientado a la conexion y a la transferencia sin conexion [53].

Ademas, como se ha venido mencionando, NFC se basa en los siguientes estandares ISO:

ISO 14443

Es un estandar internacional desarrollado para la comunicacion de tarjetas sin contacto de

identificacion electronicas y de proximidad, trabajando en la frecuencia de 13,56 MHz. Este

estandar se divide en dos tipos de tarjetas: tipo A (normal) y tipo B (banking/short range),

entre sus principales diferencias se encuentran los metodos de modulacion, codificacion de

bits y el protocolo de inicializacion de procedimientos.

Near Fiel Communication Interface and Protocol (NFCIP)-1

Este protocolo esta definido por las normas ISO/IEC 18092 y ECMA 340. Define el enlace

de RF en el que NFC trabaja (13,56 MHz), los metodos de modulacion aplicados a la

senal, velocidades de transmision, estructura de la trama, caracterısticas de seguridad. Se

encarga de controlar el flujo general del protocolo, asignando los roles (iniciador u objetivo)

correspondientes a cada dispositivos, define los modelos de comunicacion activo y pasivo

[52].

Near Fiel Communication Interface and Protocol (NFCIP)-2

Este protocolo esta definido por las normas ISO/IEC 21481 y ECMA 352. Esta encargado

de especificar el mecanismo de seleccion de los tres modos de comunicacion existente para

que no haya interferencias o perturbaciones en cualquier comunicacion existente dentro de

la frecuencia de 13,56 MHz, es decir que este protocolo provee una puerta de entrada entre

diferentes estandares de interfaz que ya existen; gracias a este protocolo, un dispositivo que


lo implemente, no activara su campo de RF cuando detecte un campo de radio trabajando

a esta frecuencia y que exceda un umbral especıfico [33].

Los tres modos de comunicacion que especifica este protocolo son:

Modo NFC especificado por el protocolo NFCIP-1.

Modo Proximity Coupling Device (PCD) especificado por la norma ISO/IEC 14443.

Modo Vicinity Coupling Device (VCD) especificado por la norma ISO/IEC 15693.


Gracias a las caracterısticas que posee el estandar de comunicacion inalambrico NFC, den-

tro de un mercado global, se evidencia el gran potencial que tiene este para contribuir al

desarrollo de la tecnologıa, cambiando y facilitando la forma en la que se hacen muchas de

las actividades de hoy en dıa, como realizar la compra de algun producto o servicio, obtener

y compartir informacion, realizar pagos, uso del transporte publico, manejo de identificacio-

nes, entre todos. De acuerdo al NFC Forum, las aplicaciones NFC se pueden dividir en tres

grupos [33]:

Acceso a transporte y compras de modo contactless: El transporte es el lıder hoy en dıa

en cuanto al uso del estandar NFC. Respecto al sector de compras, se pueden realizar

pagos por medio de un dispositivo NFC sin necesidad de usar una tarjeta credito.

Informacion en movimiento y descubrimiento de servicios: Los datos se almacenan en

etiquetas ubicadas en cualquier objeto a las que se pueden acceder desde cualquier

dispositivo NFC, ademas se pueden usar estos mismos dispositivos como documento

de identificacion.

Simplificar las tecnologıas de comunicacion inalambrica: NFC ofrece formas de realizar

el intercambio de datos de forma mas rapida y sencilla, ademas, gracias a este estandar,

se acelerara la adopcion de otros estandares de comunicacion moviles como Bluetooth,

Wi-Fi y ZigBee en diferentes dispositivos, facilitando el uso de esta tecnologıa para el

ser humano.

2.3.4. Wifi

Wifi pertenece a la especificacion industrial IEEE 802.11, fue el primer estandar mundial

de comunicacion inalambrica para redes WLAN desarrollado en 1997. Inicialmente, este

estandar permitıa transmisiones de 1 y 2 Mbps y operaba en la banda de 2.4 GHz, pero este

estandar esta en constante desarrollo, ya que las necesidades de los usuarios crecen constan-

temente, es por esto, que existen varios grupos de trabajo, los cuales se encargan de proponer

y definir nuevas mejoras, lo que resulta en la creacion de diferentes especificaciones basadas


en el estandar 802.11.

El estandar 802.11 define diferentes metodos y tecnologıas de transmision. Posee dos modos

de conexion, el primero y mas popular es el de conectar dispositivos a otra red como la

intranet de una empresa o Internet, este modo se muestra en la figura 2-5 (a); el otro modo

es una red ad-hoc que se muestra en la figura 2-5 (b), en este modo, un grupo de dispositivos

estan conectados de manera que pueden enviar informacion entre ellos sin tener un punto

de acceso, estas redes no son muy populares [47].

Figura 2-5: Arquitectura 802.11. a) Modo Infraestructura, b) Modo Ad - Hoc. [47]


Las especificaciones de wifi han surgido segun el aumento de las necesidades de los clientes,

por lo tanto, dependiendo de la especificacion se tienen caracterısticas diferentes, a conti-

nuacion, se resumen las caracterısticas generales de las especificaciones mas comunes usadas

en la actualidad [22], [18],[47]:

IEEE 802.11a

Opera en la frecuencia de 5 GHz, su velocidad de transmision varia de 6 Mbps a 54 Mbps

de acuerdo al metodo de correccion de errores utilizado, alcanza una rango de 30-50 metros,

utiliza modulacion OFDM, lo que proporciona mayor velocidad y eficiencia en la transmision

evitando el efecto multitrayectoria, utiliza 54 subportadoras para la transmision, 48 para da-

tos y 4 para sincronizacion. Usa un canal con ancho de banda de 20 MHz, esta especificacion

no es compatible con la 802.11b, ya que no trabajan a la misma frecuencia.

IEEE 802.11b

Es la especificacion principal de redes inalambricas, tiene una velocidad de transmision de

11 Mbps, trabajando a una frecuencia de 2,4 GHz, su rango alcanza los 100 metros, utiliza

modulacion DSSS, usa un canal con ancho de banda de 22 MHz y maneja una potencia de

transmision de 20dBm, aunque presenta algunos inconvenientes como las interferencias y la


falta de QoS, tiene gran aceptacion en el mercado gracias a su bajo costo, su velocidad y su

compatibilidad.

IEEE 802.11g

Esta especificacion es compatible con la 802.11b, trabaja a la misma frecuencia de 2,4 GHz

y su velocidad de transmision aumenta a 54 Mbps, lo que permite dar servicio a 4 o 5 veces

mas de usuarios. Utiliza modulacion OFDM y alcanza un rango de 100 metros, usa un canal

con ancho de banda de 20 MHz, ademas, maneja una potencia de transmision de 15 dBm.Es

una modificacion a la capa fısica creando una extension de la capa PHY, llamada Extended

Rate PHY

IEEE 802.11n

Esta especificacion proporciona velocidades de hasta 500 Mbps, utiliza modulacion OFDM,

posee compatibilidad con todas las especificaciones anteriores a esta, trabajando tanto en la

frecuencia de 2,4GHz como en la de 5 GHz; el gran avance en esta nueva especificacion es su

tecnologıa Multiple Input – Multiple Output (MIMO), lo que permite utilizar varios canales

a la vez para la recepcion y transmision de datos utilizando varias antenas. Usa canales con

ancho de banda de 20MHz y 40MHz.

WiMAX

WiMAX es una especificacion que surge por la necesidad de generar interoperabilidad mun-

dial de tecnologıas inalambricas que utilizan el espectro microondas para su transmision,

ademas, de vincularse con relativa facilidad a redes IP, involucra aspectos del estar 802.11 y

3G, tiene como principales caracterısticas reducir costos de instalacion y extender la conec-

tividad a un rango de 50 Km [22].En cuanto a caracterısticas tecnicas opera a en la banda

de 10GHz a 66GHz con una velocidad de transferencia de 70 MHz, utilizando como tecnicas

de comunicacion OFDM y MIMO. Las caracterısticas principales del stack de protocolos se

pueden resumir de la siguiente forma:

Capa fısica: Se detallan dos tipos, una si el nodo esta en movimiento y otra si no.

Capa enlace de datos: La conforman 3 subcapas. La inferior encargada de la seguridad,

la subcapa MAC orientada a la conexion y la subcapa de convergencia especifica el

servicio que permite la adaptacion con capas superiores que varıan de acuerdo al tipo

de servicio que ofrece la red (por ejemplo IP).

Cabe mencionar que esta especificacion se relaciona el estandar 802.16a e HiperMAN.

Como estandares complementarios en 802.11 surgen:


IEEE 802.11d: Permite detectar niveles de potencia y de acuerdo a una referencia

acceder a la transmision.

IEEE 802.11e: Permite implementar en los estandares 802.11 a/b/g parametros de

QoS.

IEEE 802.11f: Permite la interoperabilidad entre puntos de acceso con diferente pro-

veedor de servicios, se conoce como IAPP.

IEEE 802.11h: Permite implementar seleccion de frecuencia dinamica DFS y control

de la potencia transmitida TPC para estandares que funcionen en la banda de 5GHz

como el 802.11n.

IEEE 802.11i: Brinda nuevos metodos de encriptacion y procedimientos de autenti-

ficacion para mejorar la seguridad en los estandares 802.11 a/b/g.

Ası mismo, las antenas transmisoras utilizadas en el estandar 802.11 deben irradiar menos

de 50 mW para aplicaciones tipo LAN. Con respecto a sus deficiencias, al utilizar la banda

ISM de 2,4 GHz se producen interferencias con telefonos inalambricos en el hogar, hornos

microondas, puertas de cochera automaticas, entre otros.

2.3.4.2. Protocolos

El estandar 802.11 define las dos capas mas bajas del modelo OSI: la capa fısica (PHY) y la

capa de enlace de datos (DLC) que se divide en Logical Link Control (LLC) y Media Access

Control (MAC) como se ve en la figura 2-6.

Figura 2-6: Protocolos 802.11. [45]


PHY

Esta capa es la encargada de cubrir la interfaz fısica entre los dispositivos, define el medio

fısico de transmision y la forma en que se transmite la informacion. Para el estandar wifi

se definen tres capas fısicas diferentes: Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS), Direct

Sequence Spread Spectrum (DSSS) y luz infrarroja.

FHSS: Consiste en transmitir parte de la informacion en una frecuencia determinada durante

un intervalo de tiempo predeterminado, generalmente de 400 ms de acuerdo a [22], para

despues cambiar de frecuencia. Utilizan 79 canales con un ancho de banda de 1 MHz, trabajan

en la banda de 2,4 GHz con una velocidad de transmision de 1, 2 o 11 Mbps y utiliza

modulacion FSK, este tipo de transmision se caracteriza por:

Almacenar el orden del salto en frecuencia en tablas, por lo cual es una transmision

sincronizada.

Su normalizacion depende del paıs en el cual se implemente.

Evita el efecto multitrayectoria conservando una distancia mınima en frecuencias.

DSSS: Es una tecnica que genera un patron de bits redundante para cada uno de los bits

que componen la senal, lo que proporcionan resistencia a las interferencias, ensanchando la

potencia de la senal. Maneja velocidades de transmision de 1 y 2 Mbps, trabaja en la banda

de frecuencia de 2,4 GHz, tiene un ancho de banda de 83,5 MHz, con 14 canales independien-

tes y utiliza modulacion BPSK y QPSK. Cabe mencionar que estas caracterısticas pueden

variar de acuerdo a la version del estandar.

La luz infrarroja utiliza el rango infrarrojo del espectro electromagnetico para transmitir

informacion por medio de ondas por el espacio libre. Esta tecnica no penetra paredes, por lo

que suele usarse en aplicaciones de muy corto alcance, ademas, proporciona un bajo ancho

de banda y es afectado por fenomenos como la luz solar. Segun [47] es una tecnica extinta

para este estandar.

Extensiones del estandar ofrecen otro tipo de tecnicas como [41]:

OFDM: Es una de las tecnicas de modulacion mas usadas en la actualidad, ya que

permite utilizar eficientemente un ancho de banda dado, este estandar se utiliza gene-

ralmente en la banda de 5GHz generando tasas de transmision como las mencionadas

anteriormente (6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Mbps). En su desarrollo, se crean subportado-

ras equiespaciadas ortogonalmente, de tal forma que un stream de datos es distribuido

en cada subportadora, creando un sımbolo para cada una con el uso de la IFFT. Cada

subportadora utiliza las tecnicas de modulacion PSK y QAM. Al hacer esta division


del espectro, presenta baja distorsion por multitrayectoria, generando alta eficiencia

espectral.

HR-DSSS: Tambien llamada High-Rate DSSS, aumenta el rendimiento de los nodos

al aumentar la tasa de transferencia, manejando velocidades en el orden de 1Mbps,

2Mbps, 5.5Mbps y 11Mbps, para esto hace uso de la codificacion tipo CCK, gene-

rando codificacion de 4 y 8 bits, respectivamente, para las dos ultimas velocidades

mencionadas.

MAC

Esta capa controla o determina la forma en que se asigna el medio fısico a las diferentes es-

taciones de una red, en otras palabras, a quien y en que momento le toca transmitir; ademas

identifica el origen y el destino del paquete. Esta capa esta basada en el protocolo Carrier

Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA), que consiste en identificar

el final de una transmision en un canal y esperar un tiempo aleatorio antes de iniciar la

transmision, lo que disminuye la posibilidad de colisiones. En redes inalambricas no se puede

usar un protocolo con deteccion de colisiones porque se necesitarıan dispositivos de radio

full duplex (transmision y recepcion al mismo tiempo en una misma frecuencia), lo cual

incrementa el costo de los equipos [22]. Al operar el protocolo CSMA/CA, permite que cada

nodo de la red trabaje bajo la modalidad de DCF (funcion de coordinacion distribuida) con

lo cual puede acceder al medio sin ningun tipo de control centralizado, en contra posicion a

esta modalidad existe PCF o funcion de coordinacion puntual, en donde el acceso al medio

es controlado por una estacion central.

Los problemas que se presentan de acuerdo al modo de funcionamiento contemplado son:

Terminal oculta: En donde, debido al area de cobertura que tiene cada nodo, si un

nodo A desea comunicarse con un nodo C y no tienen alcance entre si, deben hacer uso

de un nodo intermedio B que tiene cobertura para A y C, de tal forma que permita

la comunicacion entre ellos, sin embargo no existe forma de que A sepa cuando B

esta ocupado con C o en sentido inverso cuando C se entere de que B esta ocupado

atendiendo a A, con lo cual se producen colisiones.

Terminal expuesta: En donde, conservando el ejemplo anterior, si B desea transmitir a

C, puede suponer erroneamente que el canal esta ocupado, cuando A transmita a un

nodo que no sea B y C y ademas no este en la cobertura de estos.

Como solucion al problema de la terminal oculta, surge la deteccion de canal de manera

fısica, es decir estableciendo un nivel de potencia que indique si el canal esta ocupado y

deteccion de canal de manera virtual en donde se lleva un registro del tiempo en el cual

el canal estara ocupado. Esto se realiza implementando en cada nodo una variable NAV o


vector de asignacion de red. El NAV acompanado del protocolo IEEE RTS/CTS que vincula

la transmision de mensajes como:

RTS: Solicita hacer uso de canal y establecimiento de comunicacion.

CTS: Acepta uso de canal y alertando su uso o los demas nodos de su cobertura.

ACK: Finaliza la comunicacion y alerta a los demas nodos que el canal esta vacio.

Permitira solucionar completamente el problema de la terminal oculta, aunque tiene como

principal defecto ser poco util para tramas cortas y nodos que puedan comunicarse con

todos los dispositivos de la red. Ademas de las caracterısticas ya mencionadas, la capa MAC

permite solucionar necesidades imprescindibles en las redes de sensores inalambricas, como:

Confiabilidad: Permitiendo disminuir la probabilidad de ser vulneradas por senales de

interferencia mediante la fragmentacion de tramas, siendo este parametro ajustable

por cada access point y para lo cual cada nodo que envıa un K-esimo fragmento espera

la confirmacion de llegada para enviar el proximo k+1 fragmento.

Ahorro de energıa: Se puede desarrollar de dos maneras, en la primera, cada trama

enviada por un nodo al access point, cuenta con un bit que indica si el nodo entra en

estado ahorro de energıa, para verificar el trafico en este estado, el nodo verifica el mapa

del trafico que se envıa periodicamente por cada access point a cada nodo mediante

una trama baliza que ademas de esta funcion, permite anunciar la presencia del access

point a cada nodo. Generalmente esta trama baliza se envıa con un periodicidad de

100ms, lo cual es su mayor defecto; en la segunda alternativa, conocida como APSD o

Entrega Automatica de Ahorro de Energıa, cada nodo maneja el tiempo en que ahorra

energıa, ya que ahora el nodo recibira su trafico una vez le envie una trama al access

point y desee iniciar una comunicacion.

Calidad de servicio: Se puede gestionar de 2 formas, en la primera, mediante el meca-

nismo de prioridad de uso de canal, cada nodo de acuerdo a su funcion, tiene prede-

terminado el tiempo en que intentara ocupar el canal una vez reciba un ACK, existen

4 niveles de prioridad (SIFS,AIFS1,AIFS4,DIFS,EIFS) que evitan que el canal sea

ocupado en momentos donde una comunicacion sea crucial. En la segunda opcion su-

poniendo que existan nodos con diferente velocidad de transmision se puede optar por

el mecanismo TXOP u oportunidad de transmision, en donde cada nodo cuenta con

el mismo intervalo de tiempo para transmitir a diferencia del CSMA/CA que brinda-

ba un numero equivalente de tramas, ası, teniendo un nodo con mayor velocidad de

transferencia, no se ve afectado por su nodo vecino.

Por su parte, para solucionar el problema de la terminal expuesta, el estandar utiliza como

nucleo CSMA/CA, el cual es completamente funcional en grupos pequenos de nodos.


Hasta el momento, de acuerdo a las caracterısticas detalladas de la capa MAC se puede afir-

mar que de acuerdo a la topologıa y cobertura de los nodos, sera imprescindible establecer el

metodo de acceso al medio, en este caso, CSMA/CA exclusivo o con NAV, RTS/CTS y ACK.

En aspectos de seguridad, la capa MAC desarrolla dos aspectos, autentificacion y privacidad,

mediante el desarrollo de dos protocolos:

WEP: Este algoritmo de codificacion permite proteger los datos de una trama (es

decir que no protege encabezados o alguna parte de la trama), para esto hace uso de

un algoritmo de encriptacion llamado RC4 que utiliza una clave de 64-32 bits la cual

permite recepcion de los datos en cada nodo, su implementacion es veloz y simple

debido al uso de pocos recursos. Para su uso, se debera tener en cuenta la aplicacion,

ya que no es el metodo mas confiable.

WPA2: Es el descrito por la especificacion 802.11i y utiliza la estructura WPA para

su funcionamiento, permite al punto de acceso autentificar clave y usuario mediante

la administracion de una base de datos, ademas, de continuar operando con claves de

red o de divulgacion masiva como WEP. El algoritmo de cifrado se base en AES.

LLC o Protocolo IEEE 802.2

Esta capa provee mecanismos de multiplexacion que permite a los diferentes protocolos

de la familia 802.xx coexistir en una sola red, haciendo imperceptibles sus diferencias y

transportando la informacion por el mismo medio. Ademas, proporciona correccion de errores

y control de flujo. En general ofrece 3 servicios que estan orientados para recibir y contestar

servicios a las capa de red y capa MAC [27]:

Modo sin conexion no reconocida: Permite la transferencia de datos con el fin de esta-

blecer un enlace, sin generar una conexion a nivel de enlace de datos. La transferencia

de datos puede ser de punto a punto, multicast o broadcast.

Modo de conexion: Este conjunto de servicios proporciona los medios para establecer,

reiniciar y terminar las conexiones de capa de enlace de datos.

Modo sin conexion: Permite a la capa de red intercambiar unidades de datos del servicio

de enlace sin el establecimiento de una conexion de enlace de datos.

2.3.4.3. Versiones

Debido a su uso en sistemas de comunicacion masiva como internet, el estandar se ha visto

enmendado en repetidas ocasiones, y aunque se han destacado algunas caracterısticas gene-

rales de las diversas versiones, debido a la caracterıstica propia de este trabajo, se mencionara

como una de las versiones de mayor interes, el estandar IEEE 802.11ah [2].


IEEE 802.11ah o HaLow

Esta reciente especificacion brinda las siguientes caracterısticas :

Hasta 8.191 nodos asociados con un punto de acceso a traves de una estructura jerarqui-

ca.

Funcionamiento en la banda de 900 MHz (exentos de licencia), la cual esta menos

congestionada y garantiza un largo alcance, de hasta 1 km en zonas exteriores.

Velocidad de transferencia de al menos 100 kbps.

Topologıas de red de un salto, ademas, de transmisiones cortas y de poca frecuencia

(paquetes de 100 bytes y con ınter arribos de 30s).

Adopcion de estrategias de ahorro de energıa que permiten muy bajo consumo, solucion

rentable para los fabricantes de dispositivos de red.

Estas caracterısticas son desarrolladas principalmente para redes de sensores inalambricos y

surgen debido a que los mecanismos de energıa que provee el estandar actual es limitado, la

banda mas utilizada (2.4GHz) esta saturada, lo cual no permite un mayor alcance, ademas,

de generar altas perdidas por interferencia y la necesidad de un estandar de muy bajo costo,

que permita ser rentable para los fabricantes de dispositivos de red. Su capa PHY cuenta

con las siguientes caracterısticas:

Opera en una banda menor a 1GHz, que varıa de acuerdo al paıs.

Ancho de banda de 1, 2, 4 ,8 y 16 MHz, que dependera de su configuracion y aplicacion.

Utiliza OFDM con 32 o 64 subportadoras, equiespaciadas a 31,25 KHz, cada una

permitiendo modulaciones del tipo BPSK, QPSK 16-256 QAM.

Hace uso del sistemas MIMO para multiples usuarios y unico usuario.

Por su parte, la capa MAC de manera general cuenta con las siguientes caracterısticas:

Identificadores de asociacion o AID, con lo cual se permite dar soporte a un gran

numero de estaciones, estableciendo una jerarquıa de nodos.

Clasificacion de nodos en 2 tipos: el primero es el nodo TIM o mapa de indicacion de

trafico el cual esta siempre activo (consumiendo energıa) y se comunica permanente-

mente con el access point supervisando las tramas de senalizacion, el segundo nodo

es No-TIM el cual no se vincula directamente con el access point y en consecuencia

su estado activo se puede programar periodicamente. Cada tipo de nodo involucra

diferentes tecnicas de acceso al medio que permiten ahorrar consumo de energıa.


Formato de trama mejorada, para lo cual se acorta la longitud del encabezado reasig-

nando algunos espacios en la trama, de tal forma que se beneficie la aplicacion en redes

de sensores inalambricos.

Se elimina la transmision de ACK.

Aunque en la actualidad existen otras versiones mejoradas como 802.11ac y ad, estas van di-

rigidas para aumentar la tasa de transferencia y estan basadas principalmente en el estandar

802.11n por lo cual no se mencionan.


En el ambito de redes de sensores inalambricos existen aplicaciones que estan basadas en

tarjetas wifi que manejan algunos de los estandares mencionados, en general se destacan las

siguientes [2]:

Monitoreo de Agricultura: Para la cual se utilizan gran cantidad de puntos de medicion

y transmisiones con periodos en el orden de minutos.

Medidores Inteligentes: En este tipo de redes se visualiza el consumo de servicios publi-

cos, como lo pueden ser: electricidad, agua, gas entre otros; debido a la aplicacion,

tienen una periodicidad en la transmision de sus datos mayor a 30s.

Industria de la automatizacion: Para esta, se implementan comunicaciones del tipo

maquina a maquina M2M.

Monitoreo de Animales: Es una de las aplicaciones que evidencia la importancia del

alcance y cobertura que tenga cada nodo de la red, ya que debido a las circunstancia

de la aplicacion, la red se extiende por una gran area.

2.3.5. Comparacion entre los diferentes estandares de comunicacion

inalambrica

Una vez investigados los estandares de comunicacion mas utilizados enfocados a redes de

sensores, se construye la tabla 2-6, en la que se comparan las caracterısticas principales de

los 4 estandares estudiados.


Caracterısticas Bluetooth ZigBee NFC WiFiFrecuencia de Operacion 2.4 - 2.48 GHz 2.4 GHz 13,56 MHz 2,4 GHZ y 5 GHz

Velocidad de Transmision 1-54 Mbps Max. 250 Kbps 424 kbps 11, 54, 500 Mbps

Modulacion GFSK O-QPSK ASK OFDM y DSSS

Topologıas Maestro-Esclavo Estrella, punto a punto Punto a punto Infraestructura - Ad Hoc

Distancia de operacion 1-100 m 70 m interiores, 400 m exteriores ∼ 10 cm 30-100 m

Potencia de Transmision 0-20 dBm 0-20 dBm No especifica 15-20 dBm

Norma IEEE 802.15.1 IEEE 802.15.4/Alliance Zigbee ISO/IEC 18092 IEEE 802.11x

Tabla 2-6: Comparacion entre diferentes estandares de comunicacion inalambrica.

Teniendo en cuenta las consideraciones planteadas en el anteproyecto, se elige el estandar

ZigBee y Wifi. Analizando cada uno de los estandares, iniciando con bluetooth, se encontro

que su arquitectura esta disenada para satisfacer comunicaciones donde la tasa de datos sea

del orden de Mbits y el establecimiento de la comunicacion no sea concurrente, es por esto

que se utiliza en los equipos celulares, tabletas, consolas de video juegos, transferencia de

archivos de audio y texto; aunque sea ampliamente utilizado, no se encontraron aplicaciones

pertinentes en el marco de redes de sensores, por esta razon, aunque sus principales des-

ventajas (consumo de energıa y cobertura) sean mejoradas con versiones contemporaneas,

no es pertinente o primordial elegir este estandar para la realizacion del proyecto. Por su

parte, el estandar NFC, es una de las tecnologıas mas seguras, ofreciendo tiempos de cone-

xion extremadamente rapidos y siendo poco vulnerable en temas de seguridad, sin embargo,

es un estandar que no permite implementarse de forma practica con un gran volumen de

nodos, por lo cual se puede prorrogar su implementacion dentro del proyecto teniendo en

cuenta que ademas de lo mencionado, son pocas las aplicaciones en el ambito de redes de

sensores. Ahora bien, el estandar ZigBee es ampliamente utilizado en la industria y maneja

niveles de potencia de transmision y cobertura ideales en las redes de sensores, esta tecno-

logıa brinda distintos tipos de frecuencia de trabajo, ademas, de proporcionar tecnicas de

QoS, ahorro energetico y perfiles de aplicacion que pueden ajustarse a necesidades particu-

lares. El estandar wifi, debido a su popularidad, tiene multiples herramientas o desarrollos,

que permitiran robustecer la plataforma a desarrollar, aunque no sea comun su uso en redes

de sensores, existen modulos wifi que permiten su implementacion, se eligio este estandar

debido a que en sus variantes se mejoran aspectos en cuanto a cantidad de nodos en la red,

tipos de mecanismos de acceso al medio y consumo energetico, con lo cual, teniendo como

ventaja su cobertura o distancia de funcionamiento y la tasa de datos del orden de Mbits,

se perfila como una alternativa adecuada para redes de sensores.

3 Plataformas Hardware

Para la correspondiente comunicacion que se desea realizar entre las diferentes redes inalambri-

cas de sensores, se debe tener una plataforma que cumpla con las caracterısticas de un

”gateway” en la red que se desea crear. Esta plataforma permitira la recoleccion de informa-

cion que se obtenga de los sensores por parte de ambas redes, sin importar el tipo de estandar

que se utilice. Este capıtulo tiene como finalidad, analizar las caracterısticas tecnicas de las

plataformas existentes en el mercado que soportan comunicacion inalambrica, para elegir la

que se usara en el desarrollo del proyecto.

3.0.1. Raspberry Pi

La Raspberry Pi, es una tarjeta de grado industrial que viene en un formato compacto, surge

como estımulo para las escuelas y el acercamiento de las ciencias de la computacion hacia

mas personas. Esta basada en el sistema operativo GNU/Linux; este sistema operativo es de

codigo abierto, lo que representa ventajas a la hora de reprogramar la plataforma, pues se

tiene la posibilidad de descargar el codigo fuente del sistema operativo por completo y hacer

los cambios que se deseen; es en este punto donde radica el exito de la plataforma, ademas

de su precio. Puede ser programada mediante una gran variedad de lenguajes a traves de

comunicacion serial, SSH o bien un teclado y un televisor. En cuanto a software, es altamente

extensible mediante paquetes descargables [49].

Su procesador interno, basado en una arquitectura de conjunto de instrucciones conocida

como Advanced RISC Machine (ARM), hace que tenga un bajo consumo energetico, lo que

explica el por que es capaz de funcionar con una fuente de alimentacion de 5v suministrada

por el puerto USB. Sin embargo, su procesador no la hace compatible con el software de las

computadoras tradicionales.

La Raspberry Pi se encuentra disponible en dos modelos, el Modelo A y el Modelo B. Ambos

modelos comparten caracterısticas, pero existen algunas diferencias, ya que el Modelo A

sacrifica funcionalidad en razon de disminuir su costo y los requerimientos de energıa. El

Modelo A es el mas economico de las Raspberrys, consume menos energıa y tiene menos

memoria que el Modelo B, lo que podrıa ocasionar que las aplicaciones se ejecuten de manera

mas lenta, ademas, cuanta con un solo puerto, a diferencia del modelo B que trae mas

puertos [51]. Ademas de los modelos A y B, tambien existen diferentes versiones denominadas

47

revisiones. Algunas de las caracterısticas mas relevantes de los diferentes tipos de Raspberrys

se pueden apreciar en la tabla 3-1.

Caracterısticas Raspberry Pi 1

Modelo A+

Raspberry Pi 1

Modelo B+

Raspberry Pi 2

Modelo B

Raspberry Pi 3

Modelo BMemoria RAM 256MB 512MB 1GB 1GBPuertos 1 USB 4 USB 4 USB 4 USBEthernet - Sı, 10/100 Mbps Sı, 10/100 Mbps Sı, 10/100 MbpsConectividad

Inalambrica

- - - 802.11n y Bluetooth

Procesador ARM 1176JZF-S a

700MHz

ARM 1176JZF-S a

700MHz

ARMv7 a 900MHz ARMv8 a 1.2GHz

Pines I/O 40 40 40 40Alimentacion 5V/400mA 5V/500mA 5V/800mA 5V/2,5AConsumo 2w 2,5w 4w 12,5wDimensiones 66x56x14mm 85x56x17mm 85x56x17mm 85x56x17mmPrecio (USD) $20 $35 $35 $35

Tabla 3-1: Tipos de Raspberry Pi.

La tabla 3-1 muestra solo algunos de los modelos mas utilizados y completos que ofrece

Raspberry Pi Foundation. La gran popularidad que tienen esta plataforma, ha generado la

creacion de diversos accesorios o modulos que se pueden adaptar a la Raspberry Pi para

agragar funcionalidades a la plataforma base, algunos de estos accesorios son: modulos de

camaras, placas PCB para crear circuitos electronicos adicionales, placas de expansion para

aumentar los pines de salida o entrada, placas para realizar transmisiones NFC, entre otros.

En la figura 3-1 se puede observar la Rasperry Pi 3 - Modelo B.

Figura 3-1: Raspberry pi 3 - modelo B. [51]

48 3 Plataformas Hardware

3.0.2. Arduino Tian

Arduino es una companıa que ofrece una plataforma electronica de codigo abierto basado en

hardware y software facil de usar. Todas las placas Arduino son completamente de codigo

abierto, permitiendo a los usuarios crear de forma independiente, y finalmente, adaptarlos a

sus necesidades particulares. El software es de codigo abierto, y esta creciendo a traves de las

contribuciones de los usuarios en todo el mundo, es facil de usar para los principiantes, pero

lo suficientemente flexible para los usuarios avanzados. Algunas de las ventajas que ofrece

este tipo de dispositivos son: su precio en el mercado es relativamente barato, se puede eje-

cutar en diferentes plataformas como Mac, Windows y Linux, su entorno de programacion

es simple, codigo abierto y su hardware se puede ampliar o extender [7].

La mayorıa de plataformas que desarrolla este companıa, no ofrece tantas funcionalidades

como lo hace la familia de Raspberry Pi, sin embargo existe una que es comparable con

las caracterısticas de una Raspberry, se trata de la placa Arduino Tian (figura 3-2, esta

basada en el sistema operativo GNU/Linux y entre sus principales caracterısticas tecnicas

se encuentran [8]:

Procesador ARM Cortex-M0 a 500 MHz

Memoria RAM de 64 MB

Alimentacion de 5v/470mA

Consumo de energıa de 2,3w

20 pines de entrada/salida

Conectividad: Ethernet, Wi-Fi (IEEE 802.11n) y Bluetooth

1 puerto USB

Dimensiones: 68x53mm

Esta plataforma se desarrollo para ser utilizada en proyectos enfocados al IoT, proporcio-

nando una alternativa optima en tareas que no son tan exigentes. Tiene un precio de 95

dolares aproximadamente.

49

Figura 3-2: Arduino Tian. [8]

3.0.3. BeagleBone Black

BeagleBone Black es una plataforma desarrollada por Texas Instruments, de codigo abierto

y bajo costo (figura 3-3). Se desarrolla con fines educativos, para ensenar las capacidades

del software y hardware libre en los colegios. Su sistema operativo es GNU/Linux, pero es

compatible con diferentes distribuciones de Linux y sistemas operativos como Ubuntu, An-

droid o Fedora.

Las capacidades que tiene esta plataforma se pueden extender usando placas de conexion

que se conectan a los cabezales de expansion que posee la BeagleBone Board. Esta es la

ultima plataforma lanzada por la familia de placas que desarrolla Texas Instruments. Entre

sus principales caracterısticas tecnicas se encuentran [48]:

Procesador ARM Cortex-A8 a 1 GHz

Memoria RAM de 512 MB

Alimentacion 5v/210-460mA

Consumo de energıa de 1-2,3w

2 puertos USB

Conectividad: Ethernet


Dimensiones 86,36x53,34mm


Figura 3-3: BeagleBone Black. [48]

3.0.4. LinkIt One

LinkIt One es una plataforma desarrollada por MediaTek enfocada al IoT (figura 3-4), las

plataformas que ofrece esta compania proporcionan una amplia gama de opciones de conec-

tividad y las herramientas de desarrollo necesarias para crear diferentes tipos de dispositivos.

Utiliza un hardware similar a los ofrecidos por las tarjetas arduino.

Esta plataforma se basa en el sistema comercial sobre chip (SoC) mas pequeno del mundo,

puede crear facilmente dispositivos que se conecten a otros dispositivos inteligentes o direc-

tamente a aplicaciones y servicios en la nube, cuenta con su propio sistema operativo, el cual

permite crear aplicaciones para dispositivos LinkIt ONE que se integran con el software de

Arduino para entregar un interfaz de programacion de aplicaciones y un proceso de desarrollo

familiar. Entre sus principales caracterısticas tecnicas se encuentran [32]:

Procesador ARM7 EJ-S a 260MHz

Memoria RAM de 4MB

Conectividad: WiFi, Bluetooth, GSM, GPRS


Alimentacion 4,2v/3mA

Consumo de energıa 12,6mW

1 puerto USB

Dimensiones 83,82x53,34mm

51

Figura 3-4: LinkIt One. [32]

3.0.5. Comparacion entre las plataformas disponibles en el mercado

Posterior a la invenstigacion que se desarrollo en cuanto a las plataformas mas utilizadas en

el mercado y estudiando sus principales caracterısticas tecnicas enfocadas en las necesidades

del proyecto en curso, se construye la tabla 3-2, en la que se comparan las 4 plataformas

mas utilizadas.

Caracterısticas Raspberry Pi 3 Modelo B Arduino Tian BeagleBone Black LinkIt OneMemoria RAM 1GB 64MB 512MB 4MBPuertos 4 USB 1 USB 2 USB 1 USBConectividad Inalambrica 802.11n y Bluetooth 802.11n y Bluetooth - 802.11n y BluetoothAlimentacion 5V/2,5A 5v/470mA 5v/210-460mA 4,2v/3mAConsumo 12,5w 2,3w 1-2,3w 12,6mWDimensiones 85x56mm 68x53mm 86,36x53,34mm 83,82x53,34mmPrecio (USD) $35 $95 $50 $60

Tabla 3-2: Comparacion entre diferentes plataformas.

Debido a las necesidades del proyecto, se evaluaron caracterısticas tecnicas especıficas, que

sustentan la eleccion que se toma. En primer lugar se evaluo la capacidad en cuanto a la

memoria que posee cada plataforma, ya que de esto depende el rendimiento y la velocidad

al trabajar programas en paralelo, en este aspecto la Raspberry Pi 3 es la ganadora. Otro

aspecto de igual importancia es la cantidad de puertos USB que tienen, ya que el objetivo

del proyecto es la interoperabilidad de dos estandares de comunicacion se puede llegar a

necesitar modulos adicionales para integrar a la placa y una de las formas para hacerlo es

por medio de los puertos USB, de nuevo la Raspberry Pi 3 es superior a las demas plata-

formas con 4 puertos. En cuanto a la conectividad inalambrica, todas las placas menos la

BeagleBone Black cuentan con conectividad WiFi y Bluetooth. La alimentacion de la placa

nos da una idea del consumo de energıa por cada una de estas, lo que representa un aspecto

importante a la hora de ahorro en costos, para este aspecto la plataforma Linkit One es la

ganadora. En cuanto a las dimensiones de la placa, se espera que entre menores sean estas,

representara una ventaja al momento de la implementacion, pues se presta para ubicarla de


forma estrategica, en este caso, todas las plataformas tienen una dimension similar aproxi-

madamente, pero la placa de Arduino Tian es un poco mas pequena, haciendola ganadora.

Por ultimo y no menos importante, evaluamos el precio en el mercado, se obtuvo que la pla-

taforma que se encuentra a menor precio es la Raspberry pi 3, con aproximadamente 35 USD.

Despues del analisis detallado de las caracterısticas mas relevantes de cada plataforma, se

llego a la conclusion que, la plataforma que mas se acomoda a las necesidades del proyecto

y proporciona mayores beneficios, es, la Raspberry Pi 3 modelo B, la cual se elige para el

desarrollo del proyecto.

4 Desarrollo del Sistema de

Comunicacion

El siguiente capıtulo es una explicacion del desarrollo del sistema de comunicacion que in-

teropera los estandares de comunicacion inalambrica WiFi y ZigBee, sobre la Raspberry Pi

3; ademas, se mencionan las heramientas necesarias que se usaron para el correcto funciona-

miento del sistema.

4.1. Estandar de comunicacion y modulos.

Cada estandar tiene formas de comunicacion diferentes, tanto a nivel de hardware como de

software, es por esto que se realiza una explicacion de cada estandar y posteriormente se

describe la forma de interoperarlos sobre la plataforma.

4.1.1. Wifi

Para implementar el estandar de comunicacion wifi, se eligio el modulo ESP8266 (Figura

4-1), ya que es un modulo de facil adquisicion en el mercado, bajo costo y alto uso en

aplicaciones de redes de sensores. Esta familia de modulos tiene diferentes versiones, pueden

ir desde la version 01 siendo la mas basica, hasta la 12 que es una de las mas completas; se

eligio la version 12E, ya que proporciona mayor funcionalidad que las versiones anteriores y

memoria suficiente para ser programado, caracterıstica que es necesaria para el cumplimiento

de las necesidades basicas del proyecto.

Figura 4-1: Modulo ESP-12E.

54 4 Desarrollo del Sistema de Comunicacion

4.1.1.1. Caracterısticas basicas del modulo

Este modulo es uno de los chips wifi mas ıntegros en toda la industria, ya que, entre sus

caracterısticas, estan [19]:

Estandar 802.11 b/g/n

Microprocesador de 32 bits

Memoria de 32 MB

1 pin ADC de 10-bit

10 pines digitales GPIO

Topologıa de red: Estrella

Protocolos IPv4, TCP/UDP/HTTP/FTP

Soporta diversidad de antenas

WiFi 2.4 GHz

Modos de operacion: ’Station’, ’Access Point ’, ’Station + Access Point ’

Voltaje de operacion: 3.0-3.6V

Corriente de operacion: 400mA, menos de 20uA cuando se encuentra en modo dormido

Tamano 15x25mm

Precio (USD): $11

La implementacion del estandar de comunicacion wifi, contara con al menos un modulo

ESP8266 y un punto de acceso wifi. Para el correcto funcionamiento, es indispensable asegu-

rar que la alimentacion del modulo este entre 3v y 3,5V y la corriente sea la suficiente para

alimentarlo; el modulo es altamente vulnerable a excesos de voltaje.

Para la alimentacion e implementacion del modulo se utiliza el kit de desarrollo NodeMCU,

el cual se puede apreciar en la figura 4-2, este kit implementa el firmware de codigo abierto

NodeMCU, dirigido especialmente para el modulo ESP8266 version 12E (ESP - 12E) y

basado en lenguaje de programacion Lua, sin embargo, se decide trabajar con el firmware

basado en micropython, ya que ofrece las siguientes ventajas:

Adaptacion de python para microcontroladores, lo que proporciona diferentes librerıas

que se ajustan a las necesidades, ademas, permite manejar programacion orienta a

objetos y es el lenguaje de programacion que se usa para el desarrollo del proyecto.

4.1 Estandar de comunicacion y modulos. 55

Permite manejar sistema de ficheros, cargandolos directamente en la memoria del mo-

dulo.

Codigo abierto.

Figura 4-2: Kit de desarrollo NodeMCU - ESP 12E.

4.1.1.2. Modos de operacion

El modulo ESP-12E se comporta como cliente, por lo cual es configurado en modo ’Station’,

este, se conecta a un ’Access Point ’ y envıa la informacion recolectada por el sensor a una

central, en este caso la Raspberry Pi 3. Para configurar la red wifi, se tiene al menos un nodo

configurado como ’Station’ y un ’Access Point ’, ası:

Station: El modulo ESP-12E, permite crear una conexion automatica a una IP pre-

determinada al momento de encenderlo, tiene la posibilidad de configurarse en modo

dormido, permitiendo que, durante el tiempo que esta inactivo, disminuya el consumo

de energıa, ademas, se puede configurar los pines GPIO, los cuales leen la variable

sensada para enviar la informacion a una tasa determinada.

Access Point: La Raspberry Pi 3 tiene un modulo wifi incorporado, este se debe con-

figurar como punto de acceso, definiendo un nombre y contrasena de red y una IP de

servidor, a la cual se van a conectar todos los clientes que existan.

Para la programacion y configuracion de los modulos se utiliza Micropython, por otro lado,

la configuracion del punto de acceso se hace directamente sobre la Raspberry Pi 3.

4.1.2. ZigBee

La implementacion del estandar de comunicacion ZigBee se realiza por medio de los modulos

XBee S2 (Figura 4-3). Los XBee son pequenos modulos fabricados por Digi International,


capaces de comunicarse de forma inalambrica unos con otros, utilizando el protocolo de red

IEEE 802.15.4 (comunmente llamado ZigBee). Existen diferentes versiones de esta familia,

entre los cuales se destacan: los Serie 1, son mas basicos y faciles de usar, ya que no necesitan

ser configurados y los Serie 2, los cuales funcionan en modo transparente o por medio de

comandos API. En la version 2B, la mejora mas evidente es la disminucion del consumo de

potencia; Otras versiones, trabajan en la banda de 900MHz y acompanados de un antena de

alta ganancia se puede obtener un mayor alcance. [16].

Figura 4-3: Modulo XBee.

Para el desarrollo del proyecto se eligio trabajar con los modulos serie 2, ya que permiten

configurar parametros del modulo, realizar una comunicacion segura mediante comandos

API y proporcionan las caracterısticas suficientes para cumplir con los objetivos del trabajo.

4.1.2.1. Caracterısticas basicas del modulo

Las caracterısticas mas relevantes del modulo XBee S2, son [16]:

Alcance ’indoor ’ entre 60 y 90m

Alcance ’outdoor ’ entre 1500 y 3200m

Voltaje de operacion: 3.0-3.4V

Corriente de operacion: 170-295mA

Frecuencia 2,4GHz

Soporta diversidad de antenas

4.1 Estandar de comunicacion y modulos. 57

Topologıas de red: Punto a punto, punto a multipunto, malla

14 Canales de secuencia directa

5 posibilidades de configuracion en modo dormido

6 pines ADC de 10-bit

8 pines digitales GPIO

Tamano 24.38x32.94mm

Precio (USD): $56

Para la implementacion del estandar de comunicacion ZigBee, es necesario contar con mıni-

mo 2 modulos XBee S2, uno de ellos sera el coordinador (unico en toda la red) y el otro sera

un router o dispositivo final (nodo de sensado).

Para su vinculacion con la raspberry Pi 3, el nodo coordinador hara uso del puerto USB,

por lo cual el modulo debe contar con un placa adaptadora y cable USB, esta adaptacion

se puede apreciar en la figura 4-4, cabe notar que tambien sera alimentado por este mismo

puerto.

Figura 4-4: Adaptador y Modulo XBee.

Los nodos se vinculan a la plataforma de acuerdo a su configuracion.

4.1.2.2. Modos de operacion

Los modulos XBee S2 tienen diferentes modos de trabajo, el modo transparente es el mas

sencillo pero a la vez el mas limitado, ya que, no permite cambiar remotamente los parametros

de configuracion del modulo, ni obtener informacion del modulo que origina la informacion,


es por esto que se hace necesario configurar todos los modulos en modo API, para enviar y

recibir paquetes de datos. En la red se encontraran los siguientes tipos de nodos:

Nodo Coordinador: Sera unico en la red y tendra como funciones especificas:

• Establecer el numero de identificacion para la red (PAN ID).

• Eligır un canal de comunicacion, de acuerdo a las condiciones del medio.

• Envıa los datos recolectados a la plataforma por medio de comunicacion serial.

Nodo Router o dispositivo final: los cuales deberan:

• Registrar el mismo numero de identificacion que el nodo coordinador.

• Tener asignado como direccion de destino el nodo coordinador.

• Configurar los pines de entrada para sensar las variables respectivas.

La configuracion de cada uno de los nodos se hace mediante XCTU, es una aplicacion

gratuita, facil de usar y compatible con Windows, Linux y MacOS.

4.2. Desarrollo del Sistema

4.2.1. Configuracion de la plataforma

EL sistema operativo elegido para la Raspberry PI 3 es Raspbian, este, es una distribucion

GNU/Linux basado en Debıan y es el sistema mas aceptado en las plataformas Raspberry.

Inicialmente se implemento Ubuntu MATE recomendado por la pagina oficial de Raspberry

pero se encontraron algunos accesos restringidos en diversos ficheros y poca documentacion

en cuanto a su implementacion, ademas, no se encontraron beneficios significativos que jus-

tificaran su utilizacion. El lenguaje de programacion utilizado es Python 3, debido a que

permite desarrollar el paradigma de la programacion orientada a objetos y cuenta con una

gran variedad de librerıas utilizadas en el desarrollo del proyecto como lo es: PyQT, XBee,

Micropython y sqlite3, ademas, pone en funcionamiento aspectos relevantes para el proyecto

como: comunicacion serial, comunicacion TCP mediante sockets, implementacion de hilos,

entre otros.

Como la plataforma se va a comportar como nodo central de la red de sensores, es necesario

configurarla de tal forma que acepte conexiones de ambos estandares de comunicacion, para

esto, se configura como punto de acceso wifi, aprovechando la radio wifi que trae incorporado,

por otro lado, se debe identificar el puerto serial al cual se va a conectar el nodo coordina-

dor ZigBee, y de esta manera, aceptar comunicaciones entrantes de ambos estandares. A

continuacion, se agrupan y explican aspectos importantes que se tuvieron en cuenta para el

desarrollo y correcto funcionamiento del sistema.

4.2 Desarrollo del Sistema 59

4.2.1.1. Punto de acceso wifi

Se configura el modulo wifi que posee la Raspberry Pi 3 como punto de acceso por medio de

los paquetes hostapd y dnsmasq; hostapd permite a la plataforma usar el radio wifi incor-

porado como punto de acceso y dnsmasq es un servidor con un protocolo de configuracion

dinamica de host (DHCP), y un sistema de nombres de dominio (DNS).

Lo primero que se debe hacer es, asignarle una direccion IP estatica a la interfaz inalambrica,

en este caso se configura wlan0 con la direccion 172.21.1.1. Posterior a esto, se debe crear

un archivo de configuracion con:

Nombre de la interfaz wlan0.

Driver de acuerdo a raspberry.

Nombre a la red wifi.

Banda de trabajo, canal, contrasena y tipo de seguridad.

Path de Archivo de configuracion.

Finalmente, se debe crear el archivo de configuracion dnsmasq con la informacion configurada

para la red y habilitar el reenvıo de paquetes configurando IPv4. El paso a paso detallado

para configurar la raspberry Pi 3 como Access Point, se obtuvo de [31].

4.2.1.2. PyQt4

La interfaz grafica de usuario (GUI) del sistema, se desarrolla mediante la librerıa PyQt4,

esta, es una extension de la librerıa grafica QT para Python.

Para facilitar el uso de esta librerıa, se utilizo QT Designer, que es una herramienta QT para

el diseno y construccion de GUIs, permitiendo personalizar y cambiar de manera dinamica su

aspecto visual; esta aplicacion genera un archivo XML (eXtensible Markup Language), cuyo

contenido es el formato de dicha GUI, este archivo se puede convertir a diferentes lenguajes

de programacion, como python en este caso, por medio de la herramienta pyuic. Qt Designer

genera un archivo .ui y pyuic permite convertir este archivo a codigo de fuente python (.py),

ası:

python3 pyuic.py -o nuevo.py anterior.ui

De esta manera pyuic, lee el archivo .ui y lo convierte en un archivo especifico nuevo.py por

medio de la opcion -o.


4.2.1.3. Manejo de hilos

Ya que el objetivo principal del sistema de comunicacion, es, aceptar comunicaciones de di-

ferentes estandares, es necesario que el sistema las acepte y procese de manera simultanea,

es por esto que se implementan hilos, permitiendo distribuir los recursos de la raspberry en

las diferentes actividades realizadas por la plataforma, sin que esto genere un problema para

el desarrollo del mismo.

Para la implementacion de los hilos se uso la librerıa threading, iniciando cada tarea realizada

en paralelo de la siguiente manera:

t1=threading.Thread(target=tarea1, name=’tarea1’)

t2=threading.Thread(target=tarea2, name=’tarea2’)

t1.start()

t2.start()

De esta forma, se realizan simultaneamente la tarea1 y la tarea2, que para este proyecto se

refieren a la lectura de datos de los sensores ZigBee y wifi.

4.2.1.4. Lectura de datos wifi - Sockets

Para crear una comunicacion entre los sensores wifi y el punto de acceso, se crea una cone-

xion cliente - servidor mediante la implementacion de sockets, usando la librerıa del mismo

nombre proporcionada por python.

Existen varios tipos de sockets, dependiendo del stack que se quiera trabajar, ya sea UDP o

TCP; en este proyecto, se utiliza el socket Stream que se basa en el stack TCP, este asegura

que los mensajes que son enviados conserven su orden al llegar al destino. Desde el lado de

la plataforma, se debe configurar el socket como servidor, para que acepte conexiones de

diferentes clientes. De acuerdo a lo anterior, para realizar una conexion exitosa, es necesario

tener en cuenta aspectos basicos de su configuracion, como:

Crear un objeto para trabajar con el socket:

s = socket.socket(socket.AF INET, socket.SOCK STREAM)

Indicar el puerto que va aceptar las conexiones externas con el metodo bind, el primer

parametro del metodo se puede dejar vacıo para indicar que el metodo puede utilizar cual-

quier nombre que este disponible, en el segundo, se especıfica el puerto:

s.bind((’’ ’’, puerto))

Configurar el socket como no bloqueante por medio del metodo setblocking:


s.setblocking(0)

Configurar el metodo listen, con la cantidad de conexiones que puede encolar el socket, antes

de empezar a rechazarlas, por ejemplo 5:

s.listen(5)

Utilizar el metodo select para que el socket acepte y maneje conexiones no bloqueantes de

diferentes clientes, este metodo se configura con 3 parametros, el primero contiene todos los

sockets de los que quiere intentar leer, el segundo todos los sockets en los que quiere intentar

escribir y el tercero aquellos sockets en los que quiere comprobar si ha existido algun error:

readable, writable, exceptional = select.select(inputs, outputs, inputs)

Crear un objeto (sc) para recibir datos del cliente, al aceptar la conexion, esta devuelve un

objeto con los datos de conexion, como IP y puerto:

sc, addr = s.accept()

Por medio del metodo setblocking, se configura el nuevo objeto como no bloqueante:

sc.setblocking(0)

Utilizar el metodo recv, para aceptar mensajes entrantes, indicando la cantidad maxima de

bytes que acepta:

data=sc.recv(1024)

Utilizar el metodo send, para enviar mensajes de respuesta al cliente:

sc.send(’Mensaje’)

Cerrar el objeto que representa el socket cliente y servidor cuando se termina la comunica-

cion:

sc.close()

s.close()

Esta configuracion, se basa en sockets no bloqueantes, caracterıstica importante para dar-

le autonomıa y robustez al sistema, permitiendo que las conexiones se realicen de manera

exitosa sin importar el momento en el que se generen, la cantidad de nodos conectados o el

estandar al que pertenecen. En la figura 4-5 se puede ver el diagrama de flujo que representa

la lectura de datos WiFi.


Figura 4-5: Diagrama de flujo Lectura de datos wifi.


4.2.1.5. Lectura de datos ZigBee - Puerto Serial

Figura 4-6: Diagrama de flujo Lectura de datos ZigBee.

Para crear una comunicacion entre los sensores ZigBee, se implementan las librerıas serial

y XBee de Python, la primera se utiliza para identificar el nombre del puerto asociado al

nodo coordinador, el cual se encuentra conectado a la plataforma, la segunda se utiliza para

crear el objeto ZigBee, indicando el puerto serie al que esta asociado y la tasa de baudios, ası:

serial port = serial.Serial(′/dev/ttyUSBX ′, 9600)

xbee = ZigBee(serial port, callback=print data)


El metodo print data es una excepcion que pertenece a la librerıa XBee, este se ejecuta cada

vez que hay un dato entrante, de esta forma el proceso de lectura de los sensores ZigBee, es

un proceso no bloqueante.

Es importante tener en cuenta, que, una vez terminada la comunicacion, es necesario detener

el objeto xbee y esperar a que se limpie o vacıe antes de volver a ser utilizado, ademas, se

debe cerrar el puerto, de la siguiente manera:

xbee.halt()

serial port.close()

En la figura 4-6 se puede ver el diagrama de flujo que representa la lectura de datos ZigBee.

4.2.1.6. Configuracion remota nodos wifi

Figura 4-7: Diagrama de flujo Configuracion remota nodos wifi.

La configuracion remota de los modulos wifi se realiza con base en el archivo de texto del

registro local alojado en la central, que contiene el tiempo de dormido de cada nodo, de

tal forma que al momento de recibir un dato sensado, la central enviara como respuesta el

tiempo que permanecera dormido. El archivo de texto se carga cada vez que se inicia la


aplicacion y el usuario podra modificar su informacion. En la figura 4-7 se puede ver el

diagrama de flujo que representa la configuracion remota de los nodos wifi.

4.2.1.7. Configuracion remota nodos ZigBee

Figura 4-8: Diagrama de flujo Configuracion remota nodos ZigBee.


Para la configuracion remota de los nodos ZigBee, se utiliza la librerıa XBee de python, la

cual proporciona el metodo send, en el que se indica el parametro que se desea configurar,

junto con el valor y la direccion de destino del nodo, por ejemplo:

xbee.send(’remote at’,

frame id=’id de la trama’,

dest addr=’direccion del nodo’,

command=’parametro’,

parameter=’valor del parametro’)

Donde xbee representa el objeto tipo ZigBee que se debe crear con anterioridad, de esta

manera, se crean las tramas y se envıan las configuraciones a cada nodo. Para comprobar que

la configuracion se realiza con exito, el nodo XBee receptor, envıa una respuesta automatica

a la configuracion remota, de la cual se evalua el valor del ’status ’, si se obtiene 0x00, el

parametro se configuro con exito, de lo contrario, se produjo un error, y en este caso, es

necesario reenviar la trama con el parametro a configurar. En la figura 4-8 se puede ver el

diagrama de flujo que representa la configuracion remota de los nodos ZigBee.

4.2.1.8. Informacion de red wifi

En informacion de la red wifi, se identifican los nodos que se encuentran activos y estan

vinculados al concentrador. Por lo cual, se crea un socket para establecer la comunicacion y

al momento de recibir y procesar la conexion de cada nodo activo, cerrar su conexion, pues lo

que se quiere es identificar que nodos estan conectados, mas no procesar los datos sensados;

es decir, el socket se crea, se queda esperando a recibir conexiones de nodos posiblemente

activos durante un tiempo determinado y se cierra una vez identifique los nodos activos.

Posteriormente, se consulta el archivo de texto del registro local que contiene la informacion

del tiempo de dormido asociado a cada nodo, y se muestra el resultado unicamente para los

nodos activos. En la figura 4-9 se puede ver el diagrama de flujo que representa la consulta

de informacion de la red wifi.


Figura 4-9: Diagrama de flujo Informacion de red wifi.

4.2.1.9. Informacion de red ZigBee

La informacion de la red ZigBee, al igual que para la red wifi, corresponde a la consulta de

la informacion actual de la red. Para obtener esta informacion, se crea un objeto de tipo

ZigBee como el que se crea para la lectura de datos, pero en este caso, solo se van a procesar

las tramas que se obtienen como respuesta a la consulta de parametros, es decir, se usa el

metodo send de la librerıa XBee, para preguntar a cada nodo los parametros de interes, y el

nodo responde con una trama en la que envıa la informacion solicitada, por ejemplo:

xbee.send(’remote at’,

frame id=’id de la trama’,

dest addr=’direccion del nodo’,

options=’\x02’,


command=’parametro’,

La diferencia con la trama que se crea para la configuracion del nodo, radica en el parametro

options, el cual se envıa con un valor de \x02, indicando que es una trama de consulta, y

se elimina el parametro parameter. Sin embargo, esta trama solo se envıa a los nodos que la

red detecta durante un tiempo determinado, finalmente, se muestra el resultado de los nodos

activos y sus parametros. En la figura 4-10 se puede ver el diagrama de flujo que representa

la consulta de informacion de la red ZigBee.

Figura 4-10: Diagrama de flujo Informacion de red ZigBee.


4.2.1.10. Grafica datos wifi y ZigBee

Figura 4-11: Diagrama de flujo Grafica datos.

Para graficar los datos sensados, se hace uso de la librerıa pyqtgraph de python, esta grafica

se realiza de manera independiente para cada nodo, el proceso de graficar los datos es el

mismo para ambas tecnologıas, asi:


1. Es necesario detectar los nodos que se encuentran activos en la red, de la misma forma

que se hizo en la seccion de informacion red wifi y ZigBee, dependiendo del estandar.

2. Una vez detectados los nodos activos, se procesan los datos recibidos por todos los

nodos como se hizo en lectura de datos wifi y ZigBee, guardando los datos en la base

de datos.

3. Se grafican unicamente los datos del nodo seleccionado, esto se logra evaluando el nodo

que se desea graficar y actualizando el vector que contiene los datos recibidos.

Es importante tener en cuenta, que los procesos de graficar datos se hace en paralelo para

cada tecnologıa, usando la librerıa threading de python, lo que permite observar la grafica

de las dos tecnologıas al mismo tiempo.

En la figura 4-11 se puede ver el diagrama de flujo que representa el proceso para graficar

los datos sensados, este diagrama es el mismo para ambas tecnologıas, la diferencia radica

en la forma de detectar los nodos y en la lectura de datos.

4.2.1.11. SQL

El manejo de las bases de datos, se hace mediante SQL. Este es un lenguaje de consulta

estructurada que da acceso a un sistema de gestion de base de datos y permite realizar dife-

rentes operaciones en estas, esta disenado para manejar los datos que hay en un sistema de

bases de datos.

El sistema de gestion de bases de datos permite el almacenamiento, modificacion y extraccion

de la informacion en una base de datos, ademas de proporcionar herramientas para anadir,

borrar, modificar y analizar los datos por medio de un lenguaje estructurado como lo es

sql; el sistema de gestion utilizado en este proyecto es la version 3 de SQLite. Este sistema,

a diferencia de los sistemas convencionales que actuan como procesos independientes del

programa con el que se comunican, se enlaza con el programa y pasa a ser parte integral

del mismo, lo que reduce la latencia en el acceso a las bases de datos, ya que, al realizar

las llamadas a funciones, resulta ser mas eficiente que la comunicacion entre procesos. La

version 3 de SQLite, proporciona un tamano de hasta 2 Terabytes y permite la inclusion de

campos tipo BLOB (Binary Large Objects), lo cual permite el almacenamiento de datos de

gran tamano que cambian de forma dinamica.

El almacenamiento de los datos se hace por separado para cada tecnologıa, es decir, se crean

dos bases de datos, esto, con el fin de evitar conflictos al momento de recibir dos datos

de diferente tecnologıa al mismo tiempo, eliminando la posibilidad de perder alguno de los


dos datos, ademas, permite consultar libremente cada base de datos en cualquier punto del

proceso.

4.2.2. Configuracion modulo wifi

La configuracion de los modulos wifi se realiza mediante Micropython, de esta manera, se

podra disenar la logica de los modulos por medio de instrucciones desarrolladas en python.

Los modulos wifi funcionaran en modo ’station’, para esto, es necesario indicarles a que ’Ac-

ces Point ’ se van a conectar utilizando la librerıa network, de la siguiente manera:

sta if = network.WLAN(network.STA IF)

sta if.active(True)

sta if.connect(’nombre de la red’, ’contrase~na’)

Inicialmente se crea el objeto de tipo ’station’, luego se activa la interfaz y por ultimo se

conecta a la red wifi, indicando el nombre de la red y la contrasena. Esta configuracion se

realiza una sola vez, ya que el modulo se conectara de forma automatica a la misma red cada

vez que se inicie. Posteriormente, se realiza la configuracion de la conexion TCP por medio

de la librerıa socket, de la siguiente manera:

s=socket.socket()

s.connect(’direccion ip’,puerto)

Para esto se crea un objeto de tipo socket, indicando la direccion y el puerto del servidor

con el cual se establecera una conexion.

Es importante tener en cuenta algunas condiciones de funcionamiento del modulo para cum-

plir con la caracterıstica fundamental en una red inalambrica de sensores, el ahorro de energıa;

esto se logra configurando el tiempo de dormido durante el cual el modulo disminuira el con-

sumo de corriente. Para esto, el modulo ofrece 3 opciones de configuracion en modo de

dormido:

Modo Modem-Sleep: El consumo de corriente es de 15mA, y es permitido solo con el

modulo configurado como nodo station, en este modo el modulo permanecera conectado

a la red wifi y al recibir informacion desde el servidor, se despertara automaticamente,

la diferencia con los otros dos modos, radica en que este mantiene el reloj del sistema

encendido.

Modo Ligth-Sleep: El consumo de corriente es de 0,4mA, el funcionamiento de este

modo es similar al modem-sleep, la diferencia esta en que el modulo apaga el reloj del


sistema y suspende la CPU interna, resultando en un consumo menor de energıa.

Modo Deep-Sleep: El consumo de corriente es de aproximadamente 20uA, en este modo

el modulo desactiva la conexion wifi y la conexion de datos, solamente el RTC (Real

Time Clock) sigue funcionando, lo que permite que se pueda despertar periodicamente

disminuyendo considerablemente el consumo de energıa.

Teniendo claro los modos de funcionamiento, se decide trabajar con el modo Deep-Sleep,

ya que ofrece el maximo ahorro posible de energıa mientras el modulo no envıa informacion

a la central, ademas de establecer la conexion con la central solo para enviar informacion,

disminuyendo el trafico en la red. La configuracion del modulo en este modo, se realiza de

la siguiente manera:

rtc=machine.RTC()

rtc.irq(trigger=rtc.ALARM0, wake=machine.DEEPSLEEP)

rtc.alarm(rtc.ALARM0, tiempo)

machine.deepsleep()

Primero se crea el objeto y se configura el RTC para que pueda despertar el modulo, pos-

teriormente se establece el tiempo que va a permanecer el modulo dormido y por ultimo se

pone el modulo en Deep-Sleep. Es importante conectar el pin GPIO 16 al pin de reset (RST),

para que el modulo se despierte correctamente. El tiempo que va a permanecer el modulo

dormido, depende de la configuracion que se realice del nodo desde la central, ası, el nodo

envıa el dato sensado y espera la respuesta por parte de la central con el tiempo de dormido.

Finalmente lo que se busca, es que, esta configuracion este por defecto en el modulo cada vez

que se inicie, para esto, es necesario crear un archivo de configuracion y guardarlo en la me-

moria del modulo, esto se logra cargando el archivo de configuracion en el archivo main.py

que tiene el modulo (se crea automaticamente cuando se actualiza el firmware basado en

Mycropython), de la siguiente manera:

ampy --port /nombre del puerto put configuracion.py main.py

De esta forma, la configuracion siempre se realiza al iniciar el modulo, pues este ejecuta

automaticamente el archivo main.py cada vez que se enciende. En la figura 4-12 se puede

ver el diagrama de flujo que representa la configuracion del modulo wifi.


Figura 4-12: Diagrama de flujo Configuracion modulo wifi.


4.2.3. Configuracion modulo ZigBee

La configuracion inicial de los modulos ZigBee se realiza mediante una aplicacion multi-

plataforma gratuita llamada XCTU, disenada para interactuar con los modulos RF de Digi

International a traves de una interfaz grafica, incluye herramientas que facilitan la configu-

racion y prueba de los modulos XBee RF, ademas, es compatible con Windows, Linux y

MacOS [15]. En la configuracion de los modulos, es importante tener en cuenta los siguientes

parametros:

El firmware del modulo: Debe ser ZigBee Coordinator API o ZigBee Router API,

dependiendo el tipo de nodo que se este configurando.

ID: PAN ID, es el ID de la red, debe ser el mismo para todos los nodos de la red.

JV: Channel Verification, se establece en 1 para los nodos router, de esta manera, el

router verifica si existe un coordinador en el mismo canal despues encenderse, para

asegurarse que esta operando en un canal valido, de lo contrario, dejara el canal y

buscara otro si no encuentra un coordinador.

DH: Destination Address High, se configura como 0x0 en todos los nodos, para que se

envıe informacion a todos los dispositivos de la red o unicamente al coordinador.

DL: Destination Address Low, se configura como 0x0 en cada router para enviar los

datos sensados unicamente al coordinador, o como 0xFFFF en el nodo coordinador

para que envıe un broadcast.

NI: Node Identifier, es el nombre con el que se va a identificar el nodo.

BD: Baud Rate, se establece con la tasa de baudios que maneja el protocolo ZigBee,

la cual es de 9600 baudios.

SM: Sleep Mode, se establece en 4, el cual habilita el modo ’ciclic sleep’, en el cual el

modulo duerme durante un tiempo determinado, definido por el parametro SP, lo que

se ve representado en un ahorro de energıa.

SP: Ciclic Sleep Period, es el tiempo en el que el modulo permanece dormido, dismi-

nuyendo el consumo de energıa.

ST: Time before Sleep, es el tiempo en el que el modulo permanece despierto antes de

iniciar al ciclo de dormido.

IR: Sampling Rate, es la velocidad con la que se va a enviar la informacion sensada a

cada nodo en la direccion definida por los parametros DH y DL.


D0-D4: Son los pines GPIO que se configuran como entrada para leer las variables

sensadas.

En la figura 4-13 se puede ver un ejemplo de configuracion de los parametros basicos que se

deben tener en cuenta para la configuracion inicial de cada uno de los modulos pertenecientes

a la misma red.

Figura 4-13: Configuracion Nodo ZigBee - Parametros Basicos.

Esta configuracion inicial es indispensable para que los nodos sean detectados por el coor-

dinador y puedan establecer una comunicacion con la central, despues de esto, el sistema

permite configurar algunos parametros de los nodos de manera remota, como: IR, SP y ST.

En un caso puntual donde exista una red ZigBee desplegada, el nodo coordinador es el unico

que debera ser configurado de acuerdo a las condiciones de la red.


4.2.4. Framework web

Con el fin de acceder remotamente dentro de una subred a la informacion capturada por el

concentrador y extendiendo la funcionalidad del proyecto, se hace necesario construir una

aplicacion web, razon por la cual, es indispensable escoger el framework web que mejor se

adapte a las condiciones de operacion del sistema, de las cuales se resaltan:

Open Source (preferiblemente programacion Python).

Sistema de gestion de datos SQLite 3.

Control de acceso a la informacion (manejo de sesiones).

Actualizacion dinamica de datos sensados.

Ası mismo, dentro de las condiciones de evaluacion, para elegir el framework web, se consi-

dero:

Entorno de trabajo amigable con el desarrollador.

Compatibilidad con varios lenguajes.

Facilidad de integracion y funcionalidad integral (Rehuso de codigo y funciones parti-

culares para al ambiente de trabajo).

Documentacion y modo de aprendizaje.

De acuerdo a lo anterior, se eligio Django como el framework para construir la aplicacion

web.

4.2.4.1. Django

Django [25], es construido para ahorrar tiempo e inicialmente publicar y mantener actuali-

zados sitios locales de noticias. En esa medida, django proporciona las siguientes ventajas:

Desarrollo Open Source y lenguaje Python.

Implementa el paradigma MTV (Models-Template-View) o MVC (Modelo-Vista- Con-

trolador).

Manejo de 4 bases de datos (Incluida SQLite 3).

Desarrollo de aplicaciones web mantenibles en poco tiempo.


Amplia documentacion, con lo cual aumenta la rapidez de aprendizaje al ser un fra-

mework de alto nivel, acompanado del sistema de administracion activo.

Despliegue en multiples navegadores.

Posibilidad de implementar AJAX (JavaScript asıncrono y XML) para actualizacion

dinamica de datos.

Uso de librerıa DataTable en los templates. DataTable utiliza el paradigma de la pro-

gramacion orientada objetos para representar una tabla e interactuar dinamicamente

con esta.

En cuanto al paradigma MVC, es el mas usado en la actualidad, permitiendo acoplamiento

debil entre las piezas de una aplicacion web, las cuales son: capa base de datos (Modelo),

capa visualizacion (Vista) y capa logica (Controlador). En resumen, este paradigma permi-

te trabajar de manera abstracta los requerimientos para construir una aplicacion web, de

acuerdo a lo anterior, el desarrollo de la aplicacion django hace uso de los siguientes archivos:

Models.py

Define la estructura de la base de datos, teniendo en cuenta el desarrollo llevado hasta el

momento, se crea un modelo por estandar ya que cada uno maneja su propia base de datos.

Al utilizar esta configuracion, se podra acceder a la base de datos de manera abstracta

mediante lenguaje python.

View.py

Permite definir todas las funciones que dan respuesta a las solicitudes del cliente web, o en

su defecto, contiene la logica necesaria para el funcionamiento de la aplicacion, en general,

se destacan las siguientes funciones:

Inicio sesion: Permite al usuario web iniciar sesion y valida las posibilidades que se

generen en la interaccion con el formulario, como lo son: entrada vacıa, maxima can-

tidad de caracteres y usuario y/o contrasena invalidos, ademas, informar al usuario

cual es error cometido. El diagrama de flujo de la figura 4-14 define las caracterısticas

mencionadas. La solicitud que llega al servidor web es del tipo POST, debido al tipo

de informacion que se intercambia (nombre de usuario y contrasena), debe ser menos

vulnerable a plagio.


Figura 4-14: Diagrama de flujo Inicio Sesion.

Red wifi/zigbee: Retorna al cliente en su respuesta, la informacion de cada tecnologıa

(Sensor, Tecnologıa, Dato y Hora) luego de validar el inicio de sesion, esta funcion carga

el template general que contiene la estructura para mostrar los datos. De acuerdo a


esto, el template utiliza AJAX para establecer una comunicacion en segundo nivel

(transparente para el usuario), de tal forma que actualice a una determinada tasa la

informacion de la red de sensores. El diagrama de flujo que describe el comportamiento

de la funcion se evidencia en la figura 4-15.

Figura 4-15: Diagrama de flujo Visualizacion informacion de redes.

Cerrar Sesion: Finaliza la sesion activa, esta funcion no presenta error en caso de no

tener algun usuario activo (funcionalidad propia de Django). Su desarrollo lo describe

la figura 4-16.

Figura 4-16: Diagrama de flujo Cerrar Sesion.

Actualizar datos en template: Es la respuesta a una solicitud en segundo plano y tiene

por objetivo actualizar los datos en la pagina web cada vez que llega un dato nuevo.

La figura 4-17 describe el funcionamiento del metodo.


Figura 4-17: Diagrama de flujo Actualizar Datos.

Url.py

Define la relacion de las funciones descritas en el archivo view.py con las URL’s de la pagina

web, de tal forma que cuando el cliente web accede a una URL, la funcion resuelve la solicitud

mediante un render request. Cada URL de la aplicacion se asocia a una funcion como lo define

la tabla 4-1.

URL Funcion asociada Respuesta (Template)/paginainicio/redzigbee/ redzigbee return render(request, ’redzigbee.html’)/paginainicio/redwifi/ redwifi return render(request, ’redwifi.html’)/paginainicio/inicio/ iniciosesion render(request,’fondo.html’) con comentarios/cerrarsesion/ cerrarsesion render(request,’fondo.html’) con comentarios/paginainicio/contacto/ contacto render(request, ’contacto.html’)/actualizardbzigbee/ actualizardbzigbee HttpResponse(datajson)/actualizardbwifi/ actualizardbwifi HttpResponse(datajson)/cambiodb/ cambiodb HttpResponse(.actualizar”)

Tabla 4-1: Relacion URL - VIEW - TEMPLATES.

Settings.py

En este fichero se establecen las configuraciones que permiten desarrollar de manera abstracta

la aplicacion web, de las cuales se destacan:

Ruta del proyecto y librerıas especiales.

Habilitar herencia en plantillas HTML


Configuracion de base de datos.

Articulacion de middleware para validar usuario, manejo de sesiones, entre otros.

Configuracion de administrador activo.

4.2.5. Despliegue del desarrollo web

Con el fin de acceder a la informacion dentro de una subred, hace falta generar las siguientes

condiciones:

Configurar la raspberry como servidor web.

Generar un entorno virtual.

De acuerdo a lo anterior, se elige el software Apache2[50] para desplegar el servidor web,

debido a su flexibilidad, rapidez de configuracion, constante actualizacion y adaptacion al

protocolo HTTP. Ahora bien, un entorno virtual permite actualizar la aplicacion web y

manejar diferentes versiones, aislando los paquetes python utilizados en la aplicacion de

escritorio. Para desplegar la aplicacion web se realizo el siguiente procedimiento:

1. Fijar como IP estatica la interfaz ethernet de la raspberry.

2. Establecer un directorio para instalar el ambiente virtual y migrar el proyecto Django

a este.

3. Configurar el archivo setting.py habilitando despliegue en produccion y verificar el

fichero wsgi.py para vincularlo con el modulo mod wsgi de Apache2.

4. Instalacion y activacion del modulo mod wsgi de Apache2.

5. Configuracion de puerto, alias, nombre del servidor, ubicacion de archivos y otros del

servidor Apache2.

6. Adecuacion correspondiente de permisos de lectura y escritura para cada base de datos.

4.2.6. Estructura del sistema

En la figura 4-18 se observa la estructura general el sistema de comunicacion desarrollado,

en este, se pueden detallar las configuraciones necesarias y los parametros de los elementos

del sistema.


Figura 4-18: Estructura del sistema.

La plataforma del sistema tiene dos comportamientos relevantes:

1. Aplicacion de Escritorio: Esta caracterıstica permite: recolectar datos por medio

de la radio wifi y el puerto serial (coordinador ZigBee), almacenar datos, configuracion

remota de nodos, obtener informacion de red y graficar los datos sensados de los nodos

activos.

La radio wifi se configura como punto de acceso y tiene como parametros: direccion IP,

nombre y contrasena de red, ademas, establece comunicacion implementando socket

tipo servidor. El coordinador ZigBee se debe configurar con el firmware de Coordinador

ZigBee en modo API y tiene como parametros: ID de red y tasa de baudios.

En la base de datos se almacenan todos los datos sensados y se eliminan los datos mas

antiguos de acuerdo a la capacidad preestablecida.

2. Aplicacion Web: Esta caracterıstica permite: visualizar en forma remota la informa-

cion de los nodos de cada tecnologıa, estableciendo comunicacion Cliente - Servidor

mediante ethernet.


Las bases de datos solamente seran consultadas, no se realiza ninguna operacion como

modificar, eliminar o ingresar datos.

Los nodos de la red wifi deben tener como parametros la direccion IP que los identifica

dentro de la red, ademas, deben ser configurados como ’station’ y como socket tipo cliente.

En la figura 4-19 se observa el funcionamiento del protocolo disenado para realizar la comu-

nicacion Wifi.

Figura 4-19: Diagrama de comunicacion estandar wifi.

Los nodos de la red ZigBee deben ser configurados como router ZigBee en modo API y

tener configurados los parametros: ID red, tasa de baudios, canal de verificacion, direccion

de destino, identificador de nodo, modo de dormido (y sus parametros especıficos), tasa de

muestreo y el pin de entrada para sensar la variable.

5 Protocolo de Pruebas

En el presente capıtulo se disena el protocolo de pruebas para implementar el sistema de

comunicacion desarrollado, definiendo las variables a sensar por cada nodo de las redes wifi

y ZigBee, ademas, de evaluar los contextos proporcionados por el concentrador IRIS.

5.1. Definicion de variables a sensar

5.1.1. Red wifi

En la eleccion de los sensores para los nodos de la red wifi, se tuvo en cuenta la librerıa dht

proporcionada por micropython, la cual se encarga de interpretar los datos provenientes de

los sensores de la familia DHT. Se decide trabajar con el sensor DHT11, pues ofrece una

tasa de muestreo mınima de 1 segundo, adaptandose a uno de los modos de funcionamiento

del sistema. En la figura 5-1 se observa el sensor DHT11.

Figura 5-1: Sensor DHT11.

5.1 Definicion de variables a sensar 85

Este sensor ofrece la posibilidad de medir temperatura y humedad, entre sus principales

caracterısticas estan:

Alimentacion: 3.3-5v y 0.3mA

Rango de Humedad relativa: 20 % - 90 % ±5 %

Rango de temperatura: 0◦C - 50◦C ±2◦C

Tasa de muestreo: mınimo 1 segundo

Salida digital

5.1.2. Red ZigBee

Para la red ZigBee, se decide medir la calidad del aire y la vibracion de un objeto, para esto,

se eligen los siguientes sensores:

MQ-135 : Es un sensor de gases usado para controlar la calidad de aire, se puede

observar en la figura 5-2 y entre sus principales caracterısticas se destacan:

• Alimentacion: 5v y 150mA

• Concentracion detectable: Amoniaco, oxidos de nitrogeno, alcohol, benceno, hu-

mo, dioxido de carbono, entre otros

• Unidades: Partes por millon (ppm)

• Salida digital o analogica

• Necesita 24 horas de precalentamiento para acondicionarse al medio

Figura 5-2: Sensor MQ-135.

86 5 Protocolo de Pruebas

SW-420 : Es un sensor para detectar cualquier tipo de vibracion mas alla del umbral

de vibracion, se puede observar en la figura 5-3. Entre sus principales caracterısticas

estan:

• Alimentacion: 3.3-5v y 15mA

• El umbral de vibracion se ajustable

• Salida digital

Figura 5-3: Sensor SW-420.

5.2. Recoleccion de datos

Dependiendo del estandar de comunicacion, se pueden implementar diferentes topologıas de

red. Para la red wifi, los nodos se comportan como dispositivos finales y solamente se puede

configurar en topologıa tipo estrella. Para la red ZigBee, los nodos se pueden configurar co-

mo router o como dispositivos finales, permitiendo implementar diferentes topologıas de red

como: estrella, arbol o malla, para el escenario de pruebas implementado, se decide trabajar

con topologıa estrella. El concentrador IRIS es independiente de la topologıa de red que

implementa cada estandar de comunicacion, dandole autonomıa al sistema.

En la figura 5-4 se puede ver la pagina principal de la aplicacion de escritorio del dispositivo,

la cual permite navegar por las diferentes funcionalidades que ofrece el concentrador, donde

5.3 Visualizacion de datos 87

inicialmente se puede ver la informacion de las redes guardada en el registro local del sistema.

Figura 5-4: Pagina principal concentrador IRIS.

5.3. Visualizacion de datos

Los datos recolectados se pueden visualizar de dos maneras: desde la aplicacion de escritorio

y desde la aplicacion web.

5.3.1. Aplicacion de escritorio

Dentro de la aplicacion de escritorio, existen dos opciones para visualizar los datos recolec-

tados:


Visualizacion general:

En esta opcion, se observan los datos aglomerados en una tabla en el concentrador

IRIS, especificando: nombre del nodo, estandar al que pertenece, variable sensada y

hora de recepcion del dato. En la figura 5-5 se puede evidenciar la visualizacion de

datos general.

Figura 5-5: Visualizacion general.

Visualizacion grafica:

En esta opcion, se observan dos graficas, una por cada estandar de comunicacion.

Los datos que se ven en cada grafica corresponden a los datos recolectados por un

solo sensor, este sensor, es detectado con anterioridad por el sistema y elegido por

el usuario; sin embargo, todos los datos que llegan al concentrador IRIS y que no se

5.3 Visualizacion de datos 89

muestran en las graficas, seran guardados en su respectiva base de datos. En cada

grafica se especifica la variable sensada y el tiempo exacto en la que llega el dato. En

la figura 5-6 se puede evidenciar la visualizacion de datos mediante graficas.

Figura 5-6: Visualizacion grafica.

5.3.2. Aplicacion web

La visualizacion de los datos en forma remota dentro de una subred se realiza mediante

la aplicacion web, los datos estan almacenados en la base de datos del concentrador IRIS,

la distribucion es la misma que la visualizacion general. En las figuras 5-7 y 5-8 se puede

evidenciar la visualizacion de los datos de la red wifi y ZigBee respectivamente.


Figura 5-7: Visualizacion remota datos wifi - Aplicacion web.

Figura 5-8: Visualizacion remota datos ZigBee - Aplicacion web.

5.4 Configuracion remota red de sensado 91

5.4. Configuracion remota red de sensado

La configuracion de los nodos depende del estandar de comunicacion al que pertenecen, de

esta forma:

Nodos wifi

En los nodos wifi, se configura el tiempo de dormido, para ello, el usuario debe ingresar

el nombre del nodo y elegir el tiempo de dormido que desea configurar, en la figura 5-9

se puede observar un ejemplo de configuracion remota para un nodo de la red wifi.

Figura 5-9: Configuracion remota nodos wifi.

Nodos ZigBee

En los nodos ZigBee, se tienen parametros como: tiempo de dormido, tiempo de des-

pierto y tasa de muestreo. Cada parametro a configurar tiene diferentes opciones que

debera elegir el usuario. En la figura 5-10 se observa un ejemplo de configuracion

remota para un nodo de la red ZigBee.


Figura 5-10: Configuracion remota nodos ZigBee.

5.5. Informacion de redes

La deteccion de los nodos activos del sistema se muestra de forma paralela para cada red.

En la figura 5-11 se observan los nodos que estan activos dentro de la red ZigBee y wifi, con

sus respectivos parametros configurables.

Figura 5-11: Informacion de redes.

5.6 Informacion adicional 93

5.6. Informacion adicional

Figura 5-12: Informacion de contacto aplicacion de escritorio.

Figura 5-13: Informacion de contacto aplicacion web.


Concentrador IRIS es el concepto de marca desarrollado en la presentacion final del siste-

ma de comunicacion, la informacion del equipo de trabajo se puede encontrar tanto en la

aplicacion de escritorio como en la aplicacion web. En la figura 5-12 y 5-13, se observa

la informacion de contacto en donde se encuentra el perfil de quienes hicieron posible la

ejecucion del proyecto.

5.7. Caracterısticas de funcionamiento

La autonomıa del concentrador IRIS, genera diferentes contextos que pueden ocurrir en la

implementacion del sistema, algunos de estos se resumen a continuacion:

Si un nodo del sistema (independiente de la red) no esta en operacion o presenta una

falla durante la comunicacion establecida, el concentrador IRIS seguira recibiendo los

datos sensados del resto de nodos activos, sin que esto afecte su funcionamiento general.

Si un nodo no ingresado al registro local del sistema se conecta con el concentrador

IRIS, funcionara en forma correcta sin mostrar las caracterısticas especıficas como:

nombre del sensor y tipo de variable sensada.

Algun cambio en la topologıa interna de la red, no repercute en el funcionamiento del

concentrador IRIS.

Debido a que el concentrador no esta sincronizado con la red de nodos, es inmune a

cambios en la tasa muestro y cantidad de informacion recibida.

Ademas del estandar ZigBee, existen radios XBee que permiten implementar diferen-

tes protocolos (Digimesh, 3G entre otros [16]), con lo cual, por medio de la librerıa

proporcionada por python, se pueden utilizar diferentes referencias de radios XBee.

Ahora bien, dependiendo de la configuracion como Access Point y gracias a que la

plataforma soporta el estandar 802.11n, se podra trabajar en diferentes frecuencias .

En la tabla 5-1 se puede ver la caracterısticas que adquiere el concentrador IRIS, en

cuanto a frecuencia, potencia y distancia que puede manejar para cada estandar de

comunicacion.

Caracterıstica ZigBee WifiFrecuencia 2.4GHz 2.4GHz - 5GHz

Potencia 2mW (+3dBm) 35-100mW (15-20dBm)

Distancia Hasta 120m Hasta 300m

Tabla 5-1: Frecuencia, potencia y distancia soportada por concentrador IRIS.

6 Comparacion entre Concentrador IRIS

y Plataformas existentes

Durante el proceso de investigacion del mercado comercial, se encontro un solo producto

comparable con el concentrador IRIS, se trata de ’Meshlium Xtreme’ de Libelium. Este, es

un concentrador multiprotocolo para WSN, desarrollado en el marco IoT y disenado para

conectar diferentes estandares de comunicacion entre sı, con la posibilidad de acceder a la

informacion de los nodos en forma remota y bidireccional [29]. En la tabla 6-1 se aprecian

las caracterısticas comparables de cada concentrador.

Concentrador IRIS Meshlium Xtrem

96 6 Comparacion entre Concentrador IRIS y Plataformas existentes

Caracterıstica Concentrador IRIS Meshlium XtremeMemoria RAM 1GB 256MBProcesador 1.2GHz 500MHzVoltaje de alimentacion 5v POE(Power Over Ethernet)Corriente de alimentacion 2.5A 1.5ADimensiones 85 x 56 x 17mm 210 x 175 x 50mmSistema Operativo Linux, Raspbian. Linux, Debian.Estandares de comunicacion Wifi/XBee Radioa Wifi/XBee Radio/BT/LoRa/3GSistema de manejo Interfaz de sistema/SHH Interfaz de sistema/SHHBases de datos SQLite MySQL/PostgreSQLUbicacion Indoor Indoor/OutdoorTipo de aplicaciones WSN WSN/AP/GPSPrecio comercial 300USDb 1400 USDc

Tabla 6-1: Concentrador IRIS vs. Meshlium Xtreme.

aEstandares soportados por los radios XBeebValoracion estimada de acuerdo al anteproyecto para un solo concentradorcValoracion estimada del producto con accesorios y funcionalidades limitadas

Como se puede ver, el concentrador IRIS tiene mayor capacidad de procesamiento, es mas

pequeno y no cuenta con las capacidades necesarias para operacion outdoor, de acuerdo a lo

anterior, como ventaja comparativa, es mas economico y ofrece manejo de sesiones mediante

una aplicacion web. Por otro lado, existen algunos modelos de aplicacion que se pueden

ajustar a ambos concentradores, las imagenes estan basadas en [29], como los siguientes:

Concentrador de diferentes estandares de comunicacion


Tabla 6-2: Concentrador de diferentes estandares de comunicacion.

97

El concentrador Meshlium Xtrem recibe los datos sensados de los estandares trabajados

por las radios XBee y el estandar LoRa, los datos recolectados por la red son enviados

a internet a traves de ethernet, 3G o GPRS. Por otro lado, el concentrador IRIS, esta

disenado para recibir datos sensados mediante el estandar Zigbee y wifi y tambien

envıa los datos a internet a traves de ethernet. Lo anterior se ve representado en la

tabla 6-2.

Para configurar los nodos el concentrador, Meshlium Xtrem configura la radio wifi

como punto de acceso y permite a los usuario enviar informacion en forma remota,

mientras que el concentrador IRIS configura los nodos de acuerdo a la informacion del

registro local.

Escanear diferentes dispositivos.

El concentrador Meshlium Xtrem detecta los dispositivos moviles activos que trabajan

con la interfaz de radio wifi o bluetooth. Por su parte el concentrador IRIS detecta los

nodos activos del registro local. Lo anterior se ve representado en la tabla 6-3.


Tabla 6-3: Escanear diferentes dispositivos.

Despliegue de servidor desde dispositivo central y acceso remoto a informacion.

En este aspecto el concentrador Meshlium Xtrem permite instalar alguna aplicacion o

servicio para acceder a los datos sensados en forma remota y almacenarlos en una base

de datos local o externa, por otro lado, el concentrador IRIS despliega la plataforma

98 6 Comparacion entre Concentrador IRIS y Plataformas existentes

como servidor y accede a la informacion almacenada en la base de datos local mediante

la aplicacion web.

Ambos concentradores permiten la configuracion de dispositivos de acuerdo a la tec-

nologıa.

7 Conclusiones

Los diversos estandares de comunicacion inalambrica se diferencian por caracterısticas

como: frecuencia de trabajo, distancia de funcionamiento, seguridad, consumo, tipo de

informacion enviada, requisitos de hardware y software, entre otros. Debido a esto, el

concentrador IRIS esta disenado para visualizar datos sensados y permitir adaptarse

a estas necesidades, ofreciendo al mismo tiempo, la posibilidad de desplegar diferentes

estandares en un mismo contexto. Ası mismo, la funcionalidad del concentrador, hace

posible su vinculacion al mercado, convirtiendolo en un producto llamativo, ya que

permite gestionar desde una unica plataforma, nodos de diversos estandares, solucion

de alto impacto en el ambito de las redes inalambricas de sensores y el Internet de las

Cosas.

El concentrador IRIS es invulnerable a fallas en el funcionamiento de los nodos, lo que

le da transparencia y autonomıa al sistema, permitiendo su adaptacion a las diferentes

topologıas de red de acuerdo al estandar de comunicacion. Por otro lado, la articula-

cion de nuevos estandares, que extienden las funcionalidades del sistema, sera posible,

gracias a su diseno escalable.

El uso de software libre hace que el concentrador IRIS tenga un diseno trazable, ex-

pandible y multiproposito. Ası mismo, su diseno modular, se adapta a las necesidades

del medio, cumpliendo con las frecuencias de trabajo de cada estandar.

Una de las caracterısticas mas relevantes en las redes inalambricas de sensores, es el

ahorro de energıa; buscando rescatar este aspecto, el concentrador IRIS fue disenado

para configurar en los nodos de cada red, el tiempo de dormido y la tasa de muestro.

La plataforma Raspberry Pi 3, fue un elemento indispensable para el cumplimiento

de los objetivos planteados, ofreciendo caracterısticas necesarias como: capacidad de

procesamiento, radio wifi incluida, puertos USB y ethernet, vinculacion de sistema

operativo GNU/Linux, entre otros. Ası mismo, su relacion costo-beneficio, la convierte

en una de las mejores alternativas del mercado.

100 7 Conclusiones

Con el fin de acceder en forma remota a la informacion alojada en la base de datos, surge

como necesidad en el desarrollo del proyecto, la construccion de una aplicacion web que

permita extender las funcionalidades del concentrador. Esto, sumado al costo inferior

con respecto a plataformas similares como Meshlium, convierten al concentrador IRIS

en un producto atractivo y competitivo para el mercado.

8 Trabajos Futuros

Con base en las singularidades de los productos que ofrecen caracterısticas similares a las

del concentrador IRIS, y de acuerdo a las necesidades de interoperabilidad en las redes

inalambricas de sensores, se plantean los siguientes trabajos futuros:

Incrementar la cantidad de estandares de comunicacion que interopera el concentrador,

teniendo preponderancia por los estandares: NFC, bluetooth y 3G.

Implementar la funcionalidad de comunicar concentradores IRIS entre si, creando una

malla que permita por ejemplo: compartir recursos, aumentar el trafico, la cantidad de

nodos y la robustez de la red.

Ademas de tener acceso a la informacion local mediante la aplicacion web, poder con-

figurar los nodos remotamente por medio de la misma.

Teniendo en cuenta la red desplegada de dispositivos moviles, involucrar funcionalida-

des que permitan detectar presencia mediante la radio wifi y/o bluetooth.

Disenar una fuente de poder para el concentrador, que permita multiples opciones de

alimentacion como: energia solar, POE, red electrica, baterıas, entre otras y mejorar

la proteccion externa del concentrador (certificacion IP65) necesaria para aplicaciones

outdoor.

Lista de Acronimos

ACL: Asynchronous ConnectionLess.

ACK: acknowledgement.

AES: Advanced Encription Standard

AFH: Adaptative Frecuency Hopping.

AID: Identificadores de asociacion.

AIFS1: Espacio Entre Tramas de Arbitraje.

AIFS1: Espacio Entre Tramas de Arbitraje 1.

AIFS4: Espacio Entre Tramas de Arbitraje 4.

AP: Access Point

API: Application Programming Interface.

APL: Capa de aplicacion estandar zigbee.

APSD:Entrega Automatica de Ahorro de Energıa.

ARM: Advanced RISC Machine.

ASK: Modulacion por desplazamiento de amplitud.

APS: Subcapa soporte de capa de aplicacion.

APL: Capa de aplicacion.

BLE: Bluetooth Low Energy.

BLOB: Binary Large Objects

BR/EDR: Basic Rate/Enhanced Data Rate.

BPSK: Modulacion por desplazamiento de fase binario.

CCK: Complementary Code Keying.

CSMA/CA: Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance.

CTS: Clear to Send.

DCF: Funcion de Coordinacion Distribuida.

DFS: Seleccion de frecuencia dinamica. DHCP: Dynamic Host Configuration Protocol. DIFS:

Espaciado entre Tramas.

DLC: Data Link Control. DNS: Domain Name System DSSS: Direct Sequence Spread Spec-

trum.

ECMA: European Computer Manufacturers Association.

EDR: Enhanced Data Rate.

EIFS: Espaciado entre tramas extendido.

FeliCa: Felicity Card.

FSK: Frequency Shift Keying.

103

FFD: Full Function Device

RFD: Reduced Function Device

FHSS: Frequency Hopping Spread Spectrum

GTS :Guaranteed Time Slot

GFSK: Gaussian Frequency Shift Keying.

IAPP: Inter-Access Point Protocol.

IEC: International Electrotechnical Commission.

IEEE: Institute of Electrical and Electronics Engineers.

IoT: Internet of Things.

ISM: Industrial, Scientific and Medical.

ISO: International Organization for Standardization.

L2CAP: Logical Link Control and Adaptation Protocol.

LAN: Local Area Network.

LoRa: Low Range

LLCP: Logical Link Control.

LLCP: Logical Link Control Protocol.

LQI: Indicador de calidad del enlace .

LMP: Link Management Protocol.

MAC: Media Access Control.

MIMO: Multiple Input – Multiple Output.

NAV: Vector de Asignacion de Red.

NDEF: NFC Data Exchange.

NFC: Near Field Communication.

NFCIP: Near Fiel Communication Interface and Protocol.

NWK: Capa de red estandar Zigbee.

OBEX: OBject EXchange.

OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing.

O-QPSK: Modulacion por desplazamiento de fase en cuadratura con offset.

PCD: Proximity Coupling Device.

PCF: Funcion de Coordinacion Puntual.

PDU: Protocol Data Units.

PHY: Physical Layer.

PPP: Point to Point Protocol.

P2P: Peer to Peer.

PSK: Phase Shift Keying.

QAM: Quadrature Amplitude Modulation.

QoS: Quality of Service.

QPSK: Quadrature Phase Shift Keying.

RC4: Rivest Cipher 4.

RISC: Reduced Instruction Set Computer.

104 8 Trabajos Futuros

RF: Radiofrecuencia

RFCOMM: Radio Frequency Communication.

RFD: Reduced Function Device

RFID: Radio Frequency IDentification.

RTD: Record Type Definition.

RTS: Request to Send .

SAP: Service Access Point

SCO: Synchronous Connection Oriented.

SDP: Service Discovery Protocol.

SIFS: Espaciado corto entre tramas.

SIG: Special Interest Group.

SMS: Short Message Service.

SoC: System on Chip.

SSH: Secure SHell.

TCP/IP: Protocolo de Control de Transmision/Protocolo de Internet.

TCS BIN: Telephony Control – Binary.

TDD: Time Division Duplex.

TDMA: Time Division Multiplex Access.

TIM: Mapa de Indicacion de trafico.

TPC: Control de la potencia transmitida.

TPC: Control de la potencia transmitida.

UDP: User Datagram Protocol

VCD: Vicinity Coupling Device.

WAP: Wireless Application Protocol.

WEP: Wired Equivalent Privacy Algorithm .

WAE: Wireless Aplication Enviroment.

WiMAX: Worldwide Interoperability for Microwave Access.

WLAN: Wireless Local Area Network.

WMAN: Wireless Metropolitan Area Network.

WPA2: WiFi Protected Access 2.

WPAN: Wireless Personal Area Network.

WSN: Wireless Sensor Network.

WWAN: Wireless Wide Area Network.

ZDO: Dispositivo Objeto ZigBee.

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Versión 0.1

Manual de Usuario

2 GRECO – UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

Contenido

Introducción ..............................................................................................................................................................3

Características Técnicas ........................................................................................................................................3

Aplicación de Escritorio...........................................................................................................................................4

Entorno Gráfico ....................................................................................................................................................4

Funcionalidades ...................................................................................................................................................4

1. Inicio ...........................................................................................................................................................4

2. Modificaciones ..........................................................................................................................................9

3. Información ...............................................................................................................................................9

Aplicación Web ........................................................................................................................................................9

Entorno Gráfico ....................................................................................................................................................9

Funcionalidades ................................................................................................................................................ 10

Copyright 2017 © Oscar Idrobo Lopez, Alejandro Torres Toro, Gustavo Puerto Leguizamón

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Manual de Usuario


Introducción Concentrador IRIS es un dispositivo que interopera diferentes estándares de comunicación inalámbrica. Está diseñado sobre la plataforma Raspberry Pi 3 y proporciona un conjunto de funciones para la adquisición de datos para redes de sensores que funcionan bajo el protocolo wifi o ZigBee, además, ofrece la posibilidad de configurar parámetros de los nodos, escanear nodos activos y almacenar los datos recolectados para posteriormente visualizarlos en forma remota.

Características Técnicas

Memoria RAM 1GB

Procesador 1.2 GHz

Voltaje de alimentación 5v

Corriente de alimentación 2.5A

Sistema Operativo Linux, Raspbian

Estándares de comunicación Wifi/XBee Radio

Bases de datos SQLite

Ubicación Indoor

Dimensiones 85 x 56 x 17 mm

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Aplicación de Escritorio

Entorno Gráfico

El entorno gráfico del dispositivo, ofrece una barra de menú con tres opciones: Inicio, modificaciones e

información, además, ofrece la opción de ver la información local de cada red de sensores.

Figura 1. Inicio Concentrador IRIS

Funcionalidades

La barra de menú ofrece 3 opciones:

1. Inicio: Este menú despliega las funciones principales del concentrador IRIS: Iniciar

Concentrador, Configurar Redes de Sensores, Información Redes de Sensores y Gráficas.

Figura 2. Inicio

Manual de Usuario


1.1. Iniciar Concentrador: Inicia la recolección de datos independiente del estándar al que

pertenezcan.

Figura 3. Iniciar Concentrador

Cada botón ofrece las siguientes funcionalidades:

Establece conexión con los nodos disponibles de la red y permite almacenar los datos sensados en la base de datos.

Finaliza la conexión con los nodos disponibles en forma segura, con lo cual se habilitan adecuadamente las demás funciones principales del concentrador IRIS.

Retorna al usuario al inicio del concentrador IRIS.

1.2. Configurar Redes de Sensores: Dentro de la configuración remota de los nodos, se

tienen las opciones de los dos estándares, tanto para ZigBee como para wifi.

Figura 4. Inicio -> Configurar Redes de Sensores

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ZigBee: Permite la configuración del tiempo de dormido, el tiempo de despierto y

la tasa de muestreo para un nodo particular. Cada parámetro tiene diferentes

opciones para elegir.

Figura 5. Configuración Red ZigBee


Envía la trama de configuración remota al nodo XBee.


Wifi: Permite la configuración del tiempo de dormido de un nodo particular.

Figura 6. Configuración Red Wifi

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Almacena los parámetros ingresados en el registro local del sistema.


1.3. Información Redes de Sensores: Con esta funcionalidad se encuentran los nodos

activos escaneando la red durante un tiempo determinado. Se realiza de manera paralela

para cada estándar de comunicación.

Figura 7. Información Redes de Sensores


Habilita la conexión para recibir información de los nodos activos por 10 segundos, posteriormente cierra la conexión en forma segura.

Muestra los nodos activos con sus respectivos parámetros.


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1.4. Gráficas: Permite la recolección de datos al igual que “Iniciar Concentrador” con la

diferencia que se pueden observar mediante una gráfica los datos de un nodo activo en

particular y de forma paralela para cada estándar. Es necesario hacer primero un escaneo

como en “Información Redes de Sensores”, para luego elegir un nodo activo y ver los datos

sensados a través del tiempo.

Figura 8. Gráficas


Escanea la red en busca de nodos activos y habilita el combo box para elegir el nodo a graficar.

Habilita la conexión y captura de datos de los nodos activos, almacenando la información recolectada en la base de datos y graficando el nodo seleccionado en el combo box.

Detiene la conexión en forma segura y permite al usuario seleccionar otra alternativa en el combo box.


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2. Modificaciones: Despliega un menú con dos funciones: Modificación Wifi y Modificación

ZigBee; cada opción abre un archivo de texto que contiene la información local del sistema,

esta información se puede modificar, sin embargo, es importante conservar la estructura del

archivo.

Figura 9. Modificaciones

3. Información: Este menú habilita la opción de Contacto, en donde se registra la información

de los creadores de este dispositivo.

Figura 10. Información

Aplicación Web

Entorno Gráfico

El concentrador IRIS, ofrece la posibilidad de visualizar los datos sensados de forma remota dentro de

una subred preestablecida, para lo cual ofrece la interfaz de la figura 11.

Figura 11. Interfaz web

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Funcionalidades

Para acceder a las diferentes funcionalidades, el usuario deberá estar registrado en el middleware

de manejo de sesión de django. El panel de navegación ofrece 4 opciones:

Permite al usuario iniciar sesión y acceder a las funcionalidades de la aplicación web.

Actualiza en forma remota los datos sensados,

permitiendo al usuario filtrar información.

Al igual que en la aplicación de escritorio, registra la información de los creadores de

este dispositivo.

Cierra en forma segura la sesión de un usuario activo.

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