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MIDDLEWARE PARA MONITORIZACIÓN Y CONTROL SOBRE REDES INALÁMBRICAS DE SENSORES LEONARDO SAAVEDRA MUNAR - PDF
MIDDLEWARE PARA MONITORIZACIÓN Y CONTROL SOBRE REDES INALÁMBRICAS DE SENSORES LEONARDO SAAVEDRA MUNAR
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Rosa Martín Torres
1 MIDDLEWARE PARA MONITORIZACIÓN Y CONTROL SOBRE REDES INALÁMBRICAS DE SENSORES LEONARDO SAAVEDRA MUNAR UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE POSGRADOS MAESTRÍA EN INGENIERÍA SANTIAGO DE CALI 20152 MIDDLEWARE PARA MONITORIZACIÓN Y CONTROL SOBRE REDES INALÁMBRICAS DE SENSORES LEONARDO SAAVEDRA MUNAR Trabajo de grado para al optar al título de Magister en ingeniería - énfasis en informática Director DIEGO MARTÍNEZ CASTRO Doctor en Automática E Informática Industrial Co Director APOLINAR GONZÁLEZ POTES Doctor En Informática UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE POSGRADOS MAESTRÍA EN INGENIERÍA SANTIAGO DE CALI 20153 Nota de aceptación: Aprobado por el Comité de Grado en cumplimiento con los requisitos exigidos por la Universidad Autónoma de Occidente para optar por el grado académico de Magister en Ingeniería. DIEGO MARTINEZ CASTRO Director ZEIDA MARÍA SOLARTE ASTAIZA Jurado JUAN CAMILO ACOSTA Jurado Santiago de Cali, Marzo 03 de4 AGRADECIMIENTOS Agradezco a mi familia, la cual ha sido un apoyo fundamental en mi proceso de formación a nivel personal y profesional, y un ejemplo a seguir por su perseverancia y esfuerzo. También le doy gracias al ingeniero Diego Martínez Castro, debido a su comprensión y apoyo profesional para el logro de este resultado, así mismo, agradezco al ingeniero Apolinar González de la Universidad de Colima por haberme permitido realizar una estancia de investigación relacionada con este trabajo de grado en dicha universidad. 45 CONTENIDO 1. MOTIVACIÓN Y OBJETIVOS OBJETIVOS Objetivo General Objetivos Específicos CONTENIDO DEL INFOMRE REVISIÓN DEL ESTADO ACTUAL DE LAS REDES INALÁMBRICAS DE SENSORES Y ACTUADORES APLICACIONES DE LAS REDES INALÁMBRICAS DE SENSORES Y ACTUADORES APLICACIONES EN EL SECTOR INDUSTRIAL APLICACIONES EN EL SECTOR SALUD PROTOCOLO ZIGBEE Clasificación de los middleware ARQUITECTURA DE LOS NODOS ARQUITECTURA PROPUESTA PARA LOS NODOS NODO DE ALTO DESEMPEÑO TEST DE PLANIFICABILIDAD PARA LA EJECUCIÓN DE APLICACIONES DE TIEMPO REAL EN WSAN NOTACIÓN Y MODELO DEL SISTEMA 61 56 4.2. ANÁLISIS DE PLANIFICABILIDAD EXTREMO-EXTREMO PARA WSAN MULTI-SALTO MIDDLEWARE PARA WSAN ARQUITECTURA DEL SISTEMA REQUERIMIENTOS FUNCIONALES DEFINICIÓN DE ACTORES CASOS DE USO ARQUITECTURA PROPUESTA PARA LA CREACIÓN DEL MIDDLEWARE DIAGRAMA DE CLASES DEL MIDDLEWARE DIAGRAMAS DE SECUENCIA INTERFACES DEL MIDDLEWARE COMPONENTES DEL MIDDLEWARE IMPLEMENTACIÓN DE COMPONENTES PRUEBAS EXPERIMENTALES CASO DE ESTUDIO 1: MONITOREO DE VARIABLES AMBIENTALES EN ESPACIOS HOSPITALARIOS Condiciones sanitarias en establecimientos hospitalarios Área de interés de la aplicación Implementación del caso de estudio CASO DE ESTUDIO 2: CONTROL DE VELOCIDAD DE UN MOTOR DC Análisis del NCS Simulación del NCS 95 67 Implementación del NCS CONCLUSIONES Y TRABAJO A FUTURO CONCLUSIONES TRABAJO A FUTURO 104 BIBLIOGRAFÍA 105 ANEXOS 113 Anexo A. Diagrama de clase del Middleware 113 78 LISTA DE CUADROS Cuadro 1. Resumen de los aportes generados en las aplicaciones orientadas a la monitorización de variables ambientales haciendo uso de redes inalámbricas de sensores. 28 Cuadro 2. Comparación de estándares para comunicación inalámbrica 29 Cuadro 3. Comparación de Middleware para WSN. 38 Cuadro 4. Comparación de especificaciones para la comunicación de componentes en sistemas distribuidos. 41 Cuadro 5. Resumen de las políticas de calidad QoS. 45 Cuadro 6. Comparación de tecnologías con procesadores de 32 bits 54 Cuadro 7. Características de los kits de desarrollo comerciales que incluyen ARM Cortex-M3 56 Cuadro 8. Comparación de microcontroladores comerciales. 58 Cuadro 9. Aspectos ambientales en entornos médicos según la norma UNE. 87 Cuadro 10. Aspectos ambientales en entornos médicos según ASHRAE.87 Cuadro 11. Aspectos ambientales en entornos médicos según la norma NFPA9 LISTA DE FIGURAS Figura 1. Esquema general de una WSAN 15 Figura 2. Visión general de las aplicaciones para WSN. 20 Figura 3. Arquitectura de WSAN haciendo uso de un Middleware. 33 Figura 4.Clasificación de los Middleware en función de su adaptabilidad a la red. 47 Figura 5. Arquitectura lógica de los nodos de alto desempeño 53 Figura 6. Stellaris LM3S9D Figura 7. Esquema de ejecución de tareas del NCS. 60 Figura 8. Envío de información en modo multisalto 64 Figura 9. Número máximo de niveles Zigbee 65 Figura 10. Algoritmo CSMA-CA 65 Figura 11. Componentes tradicionales de un Middleware para WSN. 67 Figura 12. Arquitectura del sistema 68 Figura 13. Diagrama de casos de uso del sistema 70 Figura 14. Arquitectura del Middleware 73 Figura 15. Lógica de comunicación en el middleware 73 Figura 16. Diagrama de clases del middleware General 74 Figura 17. Proceso de contratación y comunicación de tareas 77 Figura 18. Proceso de publicación de magnitudes de variables 78 Figura 19. Proceso de suscripción de datos 79 910 Figura 20. Interfaz Listener 80 Figura 21. Interfaz DataType 80 Figura 22. Interfaz QoSRespond 81 Figura 23. Diagrama de componentes del Middleware 82 Figura 24. Dimensiones del quirófano monitoreado. 89 Figura 25. Distribución de los nodos para el caso de aplicación sobre el quirófano 90 Figura 26. Diagrama descriptivo para el caso de estudio 1 90 Figura 27. Estimación de temperatura en el quirófano 91 Figura 28. Estimación de humedad relativa en el quirófano 91 Figura 29. Alarmas 92 Figura 30. Fragmento de la trama enviada 92 Figura 31. Diagrama descriptivo del segundo caso de aplicación 94 Figura 32. Respuesta del sistema en lazo cerrado a una referencia tipo T ms escalón, con S 30 y r 1ms - Simulación. 96 Figura 33. Control de velocidad de motor DC 98 Figura 34. Montaje físico del caso de estudio Figura 35. Tiempo de envío de la trama de medición 100 Figura 36. Tiempo de cálculo y ejecución de la acción de control 100 Figura 37. Mensaje de cumplimiento de plazos Controlador Actuador101 Figura 38. Mensaje de cumplimiento de plazos - Coordinador11 LISTA DE ANEXOS Anexo A. Diagrama de clase del Middleware12 GLOSARIO AODV : ad-hoc on-demand distance vector CAP: periodo de acceso por contención CFP: periodo libre de contención DCS: sistema de control distribuido MAC: control de acceso al medio NCS: networked control systems RM: rate monotonic TDMA: acceso múltiple por división de tiempo WSAN: wireless sensors and actuators networks WSN: wireless sensors networks 1213 RESUMEN La naturaleza y complejidad de las aplicaciones de monitorización y control, junto con los nuevos avances tecnológicos en miniaturización, la comunicación ubicua y la convergencia digital, han impulsado al desarrollo de sistemas de cómputo distribuido en los que las distintas funciones se implementen a diferentes niveles. Estas aplicaciones no siempre presentan las mismas demandas de recursos al sistema, por lo que su desarrollo demanda el cumplimiento de nuevos requisitos relacionados con la calidad de servicio, la autoconfiguración del sistema y la portabilidad de la aplicación. El reto principal que se abordó en este trabajo es el de desarrollar un sistema que actuando bajo una perspectiva distribuida para el control y monitorización de variables, sea capaz de reconfigurarse para adaptarse a un entorno cambiante. Este trabajo se desarrolló como parte del proyecto de investigación titulado Diseño y desarrollo de una red de sensores y actuadores para aplicaciones en el entorno hospitalario, desarrollado por los grupos de investigación GITCoD y GBIO de la Universidad Autónoma de Occidente, en el cual se abordó el desafío de soportar los niveles de calidad de servicio propios de las aplicaciones de monitorización y control en ambientes hospitalarios. En este proyecto se han realizado dos aportaciones. La primera consiste en el desarrollo de un test de planificabilidad para aplicaciones de WSAN con requisitos de tiempo real soportadas en el protocolo Zigbee. La segunda aportación es el desarrolló un middleware para la arquitectura propuesta en el proyecto D2ARS, que posibilita cumplir con las restricciones de tiempo real en Wireless Sensor and Actuator Networks. 1314 1. MOTIVACIÓN Y OBJETIVOS La naturaleza y complejidad de las nuevas aplicaciones de monitorización y control, junto con los nuevos avances en miniaturización, la comunicación ubicua y la convergencia digital, han impulsado el desarrollo de las redes inalámbricas de sensores y actuadores (Wireless Sensor and Actuator Networks - WSAN), lo que ha permitido concebir nuevas aplicaciones que anteriormente eran poco viables debido a limitantes tecnológicos. El desarrollo de estas aplicaciones demanda el cumplimiento de nuevos requisitos relacionados con la calidad de servicio, la autoconfiguración del sistema y la portabilidad de la aplicación; al mismo tiempo que proporciona nuevos niveles de seguridad, confort y productividad en todas las áreas de aplicación, cubriendo desde los entornos industriales hasta a los individuos. En estos sistemas los componentes de la aplicación se distribuyen entre los diferentes nodos que la integran. Algunas componentes pueden tener una asignación preestablecida, como es el caso de las funciones de medición y actuación, debido a la conexión física de ciertos nodos con el sistema con el que se interactúa; mientras que las demás funciones relacionadas con la aplicación se asignan a un nodo siguiendo razonamientos asociados al cumplimiento de algún criterio, como por ejemplo la optimización en el consumo de potencia, la minimización de los retrasos en el sistema, entre otras. En la figura 1 se presenta de manera general una aproximación a la estructura de estas aplicaciones. Las aplicaciones no siempre presentan las mismas demandas de recursos al sistema, sino que pueden presentar diferentes escenarios con requisitos distintos en momentos que no siempre están previstos durante el diseño de la aplicación, por lo que la capacidad de los nodos de una red de sensores para obtener y procesar información, así como la de generar acciones de control, es variable con el tiempo. Además, los recursos disponibles en cada momento por cada nodo para realizar las actividades que se le asignen, también variables, son limitados 1415 Figura 1. Esquema general de una WSAN Para cumplir con los requisitos de tiempo de respuesta de las aplicaciones, en las redes inalámbricas de sensores y actuadores, se han utilizado protocolos de comunicaciones con acceso al medio controlado, como por ejemplo las ranuras de tiempo garantizado en el IEEE Sin embargo la escalabilidad de dichas redes cuando se emplean estos métodos de acceso al medio no es fácil de implementar, ya que al aumentar el número de nodos contendientes, se degrada el protocolo MAC, generando congestiones causadas por los intentos simultáneos de acceso al medio, tal y como lo enuncia Yendavalli 1 y Anastasi 2, dicho problema de escalabilidad se resuelve haciendo uso de protocolos de acceso al medio por contienda como por ejemplo Zigbee. 1 YENDAVALLI, K. KRISHNAMACHARI, B. Enhancement of the IEEE MAC protocol for Scalable Data Collection in Dense Sensor Networks. En: IEEE. Berlín, Alemania p ANASTASI, G. CONTI, M. DI FRANCESCO, M. A comprehensive analysis of the MAC unrealiability problem in IEEE wireless sensor networks. En: IEEE p16 El reto principal que se aborda en este trabajo es el de desarrollar un middleware para redes inalámbricas de sensores y actuadores, que actuando bajo una perspectiva distribuida para el control y monitorización de variables, sea capaz de reconfigurarse para adaptarse a un entorno cambiante. Este trabajo se desarrolló como parte del proyecto de investigación titulado Diseño y desarrollo de una red de sensores y actuadores para aplicaciones en el entorno hospitalario, aprobado en el año 2011 y presentado por los grupos de investigación GITCoD y GBIO de la Universidad Autónoma de Occidente, en el cual se abordó el desafío de soportar los niveles de calidad de servicio propios de las aplicaciones de monitorización y control en ambientes hospitalarios. Lo que constituye un problema que debe de enfrentar el departamento de mantenimiento de estas instituciones, con el propósito de garantizar niveles de confort, asepsia y calidad en los mismos, especialmente en ambientes cerrados, como es el caso de las unidades de cuidados intensivos. El middleware desarrollado en este trabajo permite garantizar los niveles de calidad de servicio de las aplicaciones abordadas en el proyecto de investigación mencionado. En este proyecto se han realizado dos aportaciones. La primera consiste en el desarrollo de un test de planificabilidad para aplicaciones de WSAN con requisitos de tiempo real soportadas en el protocolo Zigbee. La segunda aportación es el desarrollo de un middleware para la arquitectura propuesta en el proyecto D2ARS, que posibilita cumplir con las restricciones de tiempo real en WSAN OBJETIVOS Objetivo General: Desarrollar un middleware para implementar aplicaciones de monitorización y control de variables ambientales soportadas en redes inalámbricas de sensores Objetivos Específicos o Identificar los requisitos de las aplicaciones de monitorización y control de variables ambientales en entornos industriales y de salud. o Seleccionar una arquitectura de nodo para soportar aplicaciones de monitorización y control en ambientes industriales y de salud. 1617 o Proponer un middleware y un conjunto reducido de componentes para el desarrollo de las aplicaciones. o Desarrollar interfaces genéricas entre los distintos componentes y el middleware. o Llevar a cabo pruebas de funcionamiento del middleware sobre una red inalámbrica de sensores para monitorizar y controlar las variables ambientales en un entorno hospitalario CONTENIDO DEL INFOMRE Este informe se encuentra organizado en 7 capítulos, constituidos de la siguiente manera: Capítulo 1: Motivación y Objetivos: Este capítulo presenta la razón de ser del trabajo de grado, partiendo de la problemática existente relacionada con la monitorización y control de variables ambientales, hasta llegar a los objetivos trazados para desarrollo del middleware. Capítulo 2: Revisión del estado actual en redes inalámbricas de sensores y actuadores: Como parte fundamental del proceso de investigación, se desarrolló la revisión del estado actual de las redes inalámbricas de sensores y actuadores, teniendo en cuenta las aplicaciones que comúnmente se despliegan sobre estas, los middleware existentes para las redes inalámbricas de sensores con requisitos de tiempo real, el protocolo de comunicaciones seleccionado, y finalmente, los algoritmos de planificación de tareas y mensajes sobre los que se soportan las redes anteriormente mencionadas, así mismo, se identificaron los requisitos de las aplicaciones de monitorización y control de variables ambientales en entornos industriales y de salud. Capítulo 3: Arquitectura de los nodos: En este capítulo se presenta la arquitectura propuesta para los nodos que harán parte de la red inalámbrica de sensores, así como también la selección del nodo que será utilizado para el despliegue de las aplicaciones, basándose en las restricciones impuestas por dichas aplicaciones. Capítulo 4: Test de planificabilidad para la ejecución de aplicaciones de tiempo real en WSAN: Como parte de la validación de los requisitos de tiempo real, en este capítulo se ha propuesto un test de planificabilidad extremo-extremo en 1718 WSAN para aplicaciones industriales y de salud con requisitos de tiempo real soportada en Zigbee. Capítulo 5: Middleware para WSAN: El objetivo de este capítulo es presentar el desarrollo de un middlware para implementar aplicaciones de monitorización y control de variables ambientales en entornos industriales y de salud, soportadas en WSAN, teniendo en cuenta su arquitectura y los componentes seleccionados para el mismo, así mismo, se presentan las interfaces desarrolladas entre los distintos componentes y el middleware. Capítulo 6: Pruebas experimentales: En este capítulo se presentan los casos de estudio tratados. Estos casos permitieron verificar el cumplimiento de los requisitos de las aplicaciones, entre ellos, el cumplimiento de plazos extremoextremo en WSAN. Capítulo 7: Conclusiones y líneas futuras de investigación: En el campo de las WSAN existen aspectos en los cuales se debe profundizar (middleware para aplicaciones específicas, tiempo de vida de los nodos y arquitectura de los mismos, protocolos de comunicación, nuevas tendencias en aplicaciones de monitoreo y control, etc.), por ende, en este capítulo se concluye el trabajo realizado y se marcan nuevas líneas de investigación que se proponen a partir de los resultados obtenidos en este trabajo. 1819 2. REVISIÓN DEL ESTADO ACTUAL DE LAS REDES INALÁMBRICAS DE SENSORES Y ACTUADORES Flórez 3 menciona que el desarrollo de WSAN está directamente influenciado por el cumplimento de las restricciones impuestas por la aplicación (industrial, civil, agrícola, etc.), tales como la cobertura de grandes áreas, el limitado poder de cómputo, cumplimiento de plazos de tiempo real, consumo de energía, escalabilidad, entre otros. Esto conlleva el análisis de diversos niveles de la aplicación que influyen en la realización de un diseño adecuado, como lo son el middleware y los planificadores de tareas, que con base en los requisitos de los contextos de aplicación considerados en este trabajo (industriales y de salud) han de tener características de tiempo real, tal y como lo enuncia Martínez 4. En este capítulo se realiza una caracterización de las aplicaciones de WSAN enfocadas principalmente al sector industrial y de salud, teniendo en cuenta los requisitos que estas demandan, y se analizan los trabajos relacionados con los niveles anteriormente mencionados APLICACIONES DE LAS REDES INALÁMBRICAS DE SENSORES Y ACTUADORES De acuerdo a lo que mencionan Rodriguez 5 y Silva 6, desde finales de la década de los 90 ha surgido un gran interés por el uso de redes inalámbricas para la interconexión de dispositivos físicos o nodos, que hacen parte de las aplicaciones de monitorización y control en ambientes distribuidos, inicialmente se desarrollaron aplicaciones de monitorización, dando origen al término redes inalámbricas de sensores (Wireless Sensors Networks - WSN). 3 FLORES, Elena. Redes de sensores inalámbricas aplicado a la medicina. Trabajo de grado master en ciencias computacionales. Universidad de Cantabria, España. Octubre de p Wireless Sensor and Actuator Networks: Characterization and Cases Study for Confined Spaces Healthcare. Computer Science and Information Technology, En: IMCSIT p RODRÍGUEZ, Rosa. MARTIN A. Periodismo de catástrofes: el 11 de septiembre. Análisis de sucesos y experiencias vividas. En: Ámbitos p SILVA, Pedro. ENACHE, George: Wireless Sensor Networks: State of the art and future trends. En: Segunda conferencia nacional de metrología e innovación. Madeira, Portugal. Octubre de p20 Según Yick 7, desde el punto de vista del procesamiento de la información las WSN se pueden clasificar en 2 categorías, monitoreo y seguimiento. Las aplicaciones de monitoreo incluyen entre otros, monitoreo de ambientes internos y externos, monitoreo y control sanitario, supervisión de la ubicación de inventarios, automatización de procesos industriales y vigilancia sísmica. Las aplicaciones de seguimiento incluyen, seguimiento de objetos, humanos, animales y vehículos. En la figura 2 se presenta la visión general de las aplicaciones de WSN. Las investigaciones asociadas a las WSN estuvieron motivadas principalmente por aplicaciones militares, posteriormente se han considerado dominios de aplicaciones civiles, como medioambientales y de monitorización de especies, agrícolas, industriales, de atención sanitaria, etc.; además, los nodos o dispositivos físicos utilizados comúnmente para monitoreo de diversas variables en dichas redes, han sido dotados de interfaces de actuación, dando origen a las redes inalámbricas de sensores y actuadores (Wireless Sensors and Actuators Networks - WSAN), con lo cual se han agregado nuevos requisitos de calidad de servicio en las aplicaciones, principalmente relacionados con los retrasos en la generación de acciones sobre los sistemas físicos. Figura 2. Visión general de las aplicaciones para WSN. 7 YICK, Jennifer. MUKHERJEE, Biswanath. GHOSAL, Dipak: Wireless Sensor Network Survey. En: ELSEVIER. Abril de p21 En los últimos años se han empezado a utilizar WSAN en el desarrollo de aplicaciones orientadas a sectores civiles, como la salud, el medioambiente, la agricultura y la industrial. Particularmente en el sector de la salud, la tendencia es la integración de la tecnología médica existente con nuevas aplicaciones en WSAN, aumentando la cantidad de datos analizados y permitiendo respuestas en tiempo real. Según Martínez 8, los parámetros más relevantes en el diseño de WSAN son: Tiempo de vida. Se espera que la aplicación funcione de forma autónoma por largos periodos de tiempo. El factor que más incide en el tiempo de vida es el consumo de potencia. En términos generales, la actividad que más consume potencia en este tipo de aplicaciones es la comunicación, de allí el interés por la implementación de estrategias que disminuyan el consumo de potencia en dicha actividad. Cobertura. En algunas aplicaciones se requiere cubrir grandes áreas en espacios abiertos. Para lo cual es importante contar con nodos móviles y estrategias adecuadas para la escalabilidad de la red y la transmisión de información en modo multisalto. Coste reducido. En algunas aplicaciones se distribuye un elevado número de nodos que al final no se pueden recuperar en su totalidad, de allí la importancia en disponer de nodos de bajo coste. Tiempo de respuesta. En aplicaciones de control es importante acotar los tiempos de envío de información ya que este parámetro puede afectar el desempeño de las estrategias de control, así mismo, en aplicaciones de vigilancia y seguridad es importante minimizar el tiempo en que se transmite la información, para ejecutar acciones preventivas y correctivas en el momento adecuado. Sincronización. Existen aplicaciones en donde es importante correlacionar temporalmente la información suministrada por diferentes nodos, para lo cual 8 MARTÍNEZ, Diego. Metodología de diseño para minimizar el consumo de potencia y los retrasos en redes inalámbricas de sensores y actuadores con retrasos acotados. Trabajo de grado doctor en automática industrial. Universidad Politécnica de Valencia España. Julio de p22 es importante sincronizar la actividad de los nodos y dotar las muestras de una marca temporal. Protección de la información. Debido a que el medio de comunicaciones a través del cual se desarrolla la comunicación es inalámbrico, el tema de la autenticidad de información toma un mayor interés. Ancho de banda en la comunicación: Los contextos de aplicación considerados comúnmente en las WSAN requieren anchos de banda reducidos para la comunicación, y tradicionalmente se acotan a 250 kbps, 40kbps y 20 kbps. Debido a la gran variedad de contextos de aplicación de las WSAN, y a la complejidad mencionada por Shuqin 9, que se genera a la hora de diseñar sistemas (como por ejemplo middlewares) que permitan el despliegue de aplicaciones para cada uno de dichos contextos, en este trabajo se ha acotado el análisis a los sectores de las aplicaciones industriales y del sector de la salud. A continuación se analizan dichas aplicaciones APLICACIONES EN EL SECTOR INDUSTRIAL Según Martínez 10, a nivel industrial, las WSAN se orientan a la monitorización, registro y control de variables, diagnóstico de fallos en línea de plantas y procesos industriales, por lo tanto, se tienen requisitos distintos desde el punto de vista de tiempo real. Las ventajas que ofrecen este tipo de aplicaciones repercuten en mejoras de la calidad de los productos, así como también en la disminución de costos de producción y mantenimiento. El uso de redes inalámbricas facilita la instalación y adaptación de los sistemas industriales, y reduce considerablemente los costes de implementación. El desarrollo de nuevas aplicaciones sobre WSAN abre el panorama en el que se integran redes alambradas e inalámbricas para aumentar la flexibilidad y confiabilidad de las aplicaciones. 9 SHUQIN, Zhang. YAN, Cui. ZHIYONG, Dong. YUEJUN, Dong. A Middleware Platform for WSAN based Application Systems. En: IEEE. Zhengzhou, China p MARTÍNEZ. Op. cit., p23 Martínez 11 presenta los requisitos para el diseño y desarrollo de WSAN en aplicaciones industriales, estos son: Los periodos de muestreo de las variables procesadas oscilan entre 1 ms y algunos segundos. Los plazos para la generación de resultados oscilan entre 1 ms y algunos minutos. Los algoritmos seleccionados para procesamiento de las señales asociadas a las variables son filtros digitales, algoritmos de control PID y realimentación del vector de estado, transformada rápida de Fourier, algoritmos inteligentes para diagnóstico (RNA y Fuzzy) APLICACIONES EN EL SECTOR SALUD Las aplicaciones de WSAN en el sector de la salud se pueden agrupar en aquellas orientadas a la monitorización, registro y análisis de variables fisiológicas; y las que se orientan a la regulación de condiciones ambientales hospitalarias para garantizar niveles de confort, asepsia y calidad en dichas instituciones, especialmente en espacios cerrados de las mismas (quirófanos, por ejemplo). El gran interés en el desarrollo de dispositivos económicos y portables, orientados a la monitorización, registro y análisis de variables fisiológicas, para supervisar pacientes continuamente y analizar la presencia o el riesgo de desarrollar alguna enfermedad, se fundamenta en que actualmente estas actividades están bastante limitadas tanto por el tipo de información como por los instantes en que se captura, por lo que las anormalidades transitorias no pueden ser detectadas en la totalidad de los casos. Sin embargo, muchas enfermedades, tales como las asociadas a patologías cardiovasculares, se relacionan más bien con episodios transitorios que a continuas anormalidades. La ocurrencia de estos estados no se puede predecir, por cuanto se descarta su análisis a través de una supervisión controlada. La tendencia es la integración de la tecnología médica existente con nuevas aplicaciones en WSAN, las cuales aumentarán la cantidad de datos analizados y permitirán respuestas en tiempo real. 11 Ibíd., p24 Se han realizado varios proyectos orientados al desarrollo de WSAN para la detección de problemas de salud. Según Alemdar 12, los signos vitales que se monitorizan más comúnmente son el ECG, oximetría de pulso, temperatura corporal, frecuencia cardiaca y la presión arterial. Algunos de estos proyectos son: UbiMon (Ubiquitous Monitoring Environment for Wearable and Implantable Sensors). Tiene por objeto abordar tópicos generales relacionados con el uso de sensores portables de medidas no invasivas, que capturen eventos transitorios que amenacen la vida de las personas y faciliten la intervención. SAPHE (Smart and Aware Pervasive Healthcare Environments). Este proyecto tiene como objetivo desarrollar una plataforma inteligente, de supervisión no invasiva, para el análisis de tendencias de datos a largo plazo. Uno de los principales objetivos de SAPHE es asegurar que los pacientes con enfermedades crónicas sean tratados en un ámbito comunitario o con el apoyo del hogar, siempre que sea posible, lo que permite reducir la demanda de asistencia sanitaria y libera capacidad, al mismo tiempo que posibilita la atención de más pacientes y permite un uso más eficaz de los recursos, además de ofrecer una atención más personalizada y mejorar la calidad de vida de los pacientes. SAPHE busca abordar la necesidad de una nueva generación de sistemas de vigilancia de la salud, que permitan la detección temprana del deterioro de la salud mediante la identificación de cambios fisiológicos y metabólicos a lo largo del tiempo. MobiHealth es uno de los primeros proyectos que integra todos los dispositivos sensores portátiles que una persona lleva consigo durante el día, como teléfonos móviles y relojes. Los sensores miden continuamente y transmiten los datos fisiológicos a los proveedores de servicios de salud a fin de proporcionar una asistencia remota, rápida y fiable en caso de accidente. Este proyecto es uno de los primeros estudios que propone la convergencia de los sistemas de redes diferentes como BAN (Body Area Network), PAN (Personal Area Network) y WAN (Wide Area Network), para permitir un servicio de cuidado de la salud móvil y personalizado. 12 ALEMDAR, Hande. ERSOY, Cem. Wireless Sensor Network for Healthcare: A Survey. En: El Sevier. Octubre de Computer Networks 54. p25 CodeBlue: Wireless Sensor Networks for Medical Care, Remote Arrhythmia Monitoring System Developed, es una plataforma de hardware y software desarrollado en la Universidad de Harvard. La parte de diseño de hardware incluye el diseño y desarrollo de un oxímetro de pulso, ECG de dos vías, y un tablero sensor para el análisis de movimiento. La arquitectura de software se basa en un modelo publish/subscribe. CodeBlue tiene por objetivo proporcionar la coordinación y comunicación entre los dispositivos médicos inalámbricos de manera ad hoc. Adicionalmente se utiliza un protocolo de detección para que los nodos descubran las capacidades de sensado que poseen cada uno. También se ha integrado un sistema de localización en los nodos, denominado MoteTrack, el cual es utilizado para localizar los pacientes y los profesionales del cuidado de la salud. AlarmNet es una red inalámbrica de sensores médicos compuesta de cinco componentes. La red de área corporal es responsable de monitorizar variables fisiológicas y de la ubicación del paciente, esta incluye sensores de frecuencia cardíaca, saturación de oxígeno y ECG desarrollados en el proyecto CodeBlue. La red de sensores fijos proporciona información de contexto espacial y del medio ambiente como la temperatura, el movimiento y la humedad. LifeGuard, fue desarrollado inicialmente para los astronautas, puede ser utilizado para monitorizar signos vitales. El sistema se compone de tres componentes. La parte de sensores puede soportar diferentes tipos de sensores tales como ECG, frecuencia respiratoria, oxímetro y presión arterial. Los datos de los sensores son recogidos y almacenados por un dispositivo portátil. Cuenta con acelerómetros de 3 ejes y sensores de temperatura de la piel. FireLine está diseñado para supervisar las medidas cardiacas de los bomberos para poder tomar las acciones necesarias en el caso de presentar alguna anormalidad. El dispositivo se compone de un sensor inalámbrico, un sensor de ritmo cardiaco y tres electrodos. Baby Glove, consiste de dos sensores colocados en la parte superior del torso del bebé, que contienen un sensor de temperatura y electrodos para monitorizar la frecuencia del pulso del bebé y la hidratación. Según Ko 13, la primera generación de redes inalámbricas de sensores para la asistencia sanitaria ha demostrado su potencial en el desarrollo de sistemas de 13 KO J. LU C. SRIVASTAYA M. STANKOVIC J. TERZIS A. WELSH M. Wireless Sensor Network for Healthcare. En: IEEE. Noviembre de p26 monitorización continua y alarma temprana. La tendencia de este tipo de aplicaciones se orienta a garantizar la integridad y la privacidad de la información, y la capacidad de desplegar sistemas de gran escala que cumplen los requisitos de cómputo y almacenamiento de las aplicaciones, utilizando dispositivos con recursos reducidos y de bajo consumo. El desarrollo de aplicaciones de WSAN orientadas al control de variables ambientales en grandes áreas, facilita actividades como la caracterización y la regulación de ambientes, algunos ejemplos son presentados por Lynch 14 en Wireless Sensing for Structural Health Monitoring of Civil Infrastructure también denominado WSN for SHM, y por Kim 15 en Health Monitoring of Civil Infrastructures using Wireless Sensor Networks descrito por la sigla HMCI. Esto se ha tomado como base para incentivar el desarrollo de aplicaciones para WSAN, que permiten monitorear y controlar variables ambientales dentro de espacios cerrados. Algunos ejemplos relacionados con las aplicaciones mecionadas son presentados por Boonsawat 16 en Xbee Wireless Sensor Network for Temperature Monitoring (Xbee for TM), en donde se hace control de temperatura en el primer piso de un aula de la Universidad de Thammasat, mediante el prototipo de un nodo arduino equipado con un módulo Xbee, así mismo, Flammini 17 presenta el proyecto A Real Time Wireless Sensor Network for Temperature Monitoring (A Real Time WSN for TM), en este se muestra el monitoreo de temperatura del ambiente al interior de un edificio empresarial, con el fin de hacer un estudio de tiempo real en una aplicación que usa un protocolo TDMA para acceder al medio de comunicaciones. El resumen de los trabajos anteriormente mencionados se presenta en el cuadro 1. En dichos trabajos se presentan requisitos en común, que están relacionados con el cumplimiento de plazos, el tipo de algoritmos utilizados al momento de procesar las señales, etc. Lo que permite establecer una serie de requerimientos para el diseño y desarrollo de WSAN en aplicaciones orientadas 14 LYNCH, J. WANG, Y. SUNDARARAJAN, A. LAW, K. KIREMIDJIAN, A. Wireless sensing for structural health monitoring of civil infrastructures. En: IEEE. Michigan, Estados Unidos de América. Abril de 2007.p KIM, S. PAKSAD, S. CULLER, D. DEMMEL, J. FENVES, G. GLASER, S. TURON, M. Health monitoring of civil infraestructures using wireless sensor networks. En: IEEE. Estados Unidos de América. Abril de p BOONSAWAT, Vongsagon. EKCHAMANONTA, Jurarat. BUMRUNGKJET, Kulwadee. KITTIPIYACUL, Somsak. Xbee wireless sensor network for temperature monitoring. En: IEEE p FLAMINI, A. MARIOLI, D. SISINNI, E. TARONI, A. A real time wireless sensor network for temperature monitoring. En: IEEE. Italia p27 al monitoreo y control de variables dentro de espacios hospitalarios, dichos requisitos son presentados en Martínez 18 : Los periodos de muestreo oscilan entre 1 milisegundo y algunos segundos. Los plazos para la generación de resultados oscilan entre 1 milisegundo y algunos minutos. Los algoritmos utilizados para el procesamiento de estas señales son, filtros, correlaciones, transformada Wavelet, etc. La distancia entre nodos no es muy grande (espacios cerrados de aproximadamente 100m). 18 MARTÍNEZ, Diego. BLANES, Francisco. SIMO, José. CRESPO, Alfons. Wireless Sensor and Actuator Networks: Characterization and Cases Study for Confined Spaces Healthcare and Control Applications Scalable Computing: Practice and Experience. En: RCC. España p.7. 27 28 Cuadro 1. Resumen de los aportes generados en las aplicaciones orientadas a la monitorización de variables ambientales haciendo uso de redes inalámbricas de sensores. Según Varghese 19 y Linderman 20, uno de los protocolos de comunicación más utilizado en este tipo de aplicaciones es Zigbee, en el cuadro 1 se observa que algunos de los trabajos se han centrado en el uso del protocolo en los modos de trabajo (acceso al medio) ranurado y no ranurado, permitiendo hacer estudios relacionados con el Jitter generado en cada uno de los casos, sin embargo, en dichos trabajos se pudo observar que no se hace un análisis detallado de los casos críticos que se presentan en sistemas cambiantes, sino 19 VARGHESE, TO. VARGHESE, TI. BHATELE, Munir. Remote blood pressure monitoring using a Wireless sensor network. En: Proceedings of all indian seminar on biomedical engineering, SpringerLink. Diciembre de p LINDERMAN, Lauren. MECHITOV, Kirill. SPENCER, Billie. Real time Wireless data acquisition for structural health monitoring and control. En: IEEE. Illinois, Estados Unidos de América. Junio de p29 que se plantean escenarios estáticos en condiciones ideales (nodos funcionando a toda su capacidad, mismo número de tareas en ejecución, etc.). Cuadro 2. Comparación de estándares para comunicación inalámbrica Estándar Zigbee Bluetooth Wi-Fi Especificación IEEE b Propagación DSSS FHSS DSSS Max. Velocidad de transmisión 250 Kbps 3 Mbps 11 Mbps N Máximo de nodos 250/ Latencia Topologías 30 ms Estrella, árbol, malla >10 segundos Estrella >3 segundos Estrella Alcance (m) Precio Bajo Medio Alto Fiabilidad, escalabilidad Diversos Velocidad Parámetros más del sistema, contextos y importantes bajo costo, de flexibilidad bajo aplicación consumo El tipo de aplicaciones de WSAN consideradas en este trabajo demanda un ancho de banda reducido en la comunicación, es por eso que en este trabajo este parámetro se acotó a 250kbps, el cual, según González 21 y Pothuganti 22, es el ancho de banda tradicionalmente utilizado en aplicaciones similares; adicionalmente, este tipo de aplicaciones requiere que el sistema sea escalable y que tenga un bajo coste de implementación, así mismo, el retardo generado al momento de enviar un mensaje haciendo uso de un protocolo de comunicaciones debe ser mínimo (debido a los requisitos de las aplicaciones industriales y de salud que se mencionaron anteriormente). Como se puede observar en el cuadro 2, estos requisitos son cubiertos por el protocolo Zigbee, 21 GONZÁLEZ, Fabián. MOSQUERA, Alirio. USECHE, Germán. Diseño de una red inalámbrica de sensores para apoyar actividades de agricultura de precisión en el jardín botánico de Cali. Trabajo de grado ingeniero electrónico. Universidad Autónoma de Occidente p POTHUGANTI, Karunakar. CHITNENI, Anusha. A comparative study of wireless protocols: Bluetooth, UWB, Zigbee, and Wi-Fi. En: IEEE. Etiopía p30 razón por la cual fue seleccionado en este trabajo para la interconexión de los nodos PROTOCOLO ZIGBEE De acuerdo a Zigbee Specification 23, el protocolo de comunicaciones Zigbee está basado en el estándar de redes inalámbricas de área personal y opera en las bandas libres ISM de 2.4 GHz, 868 MHz (Europa) y 915 MHz (Estados Unidos). Posee una velocidad de transmisión de 250 Kbps y un rango de cobertura de 10 a 75 metros. Según Pothuganti 24, IEEE implementa dos tipos de acceso al medio, sin sincronización y con sincronización a través de beacons El algoritmo MAC sin sincronización facilita la escalabilidad y autoconfiguración de la red, pero dificulta el cálculo del tiempo máximo de transmisión debido a que el acceso al medio no es controlado. En las redes con sincronización a través de beacons, los nodos solo necesitan estar activos mientras se les asigna el tiempo de transmisión y durante su proceso de transmisión. En las redes sin sincronización cada dispositivo es autónomo, pudiendo iniciar un intercambio de información en cualquier momento y causando con esto que se puedan presentar colisiones debido a que otros dispositivos sobre la misma red también están intercambiando información, es por esto que las redes sin sincronización acceden al canal por medio de CSMA/CA. El CSMA/CA se basa en la escucha del canal por parte del nodo que pretende transmitir, y de esta forma detecta si algún otro nodo que compone la red está transmitiendo, para esto utiliza el algoritmo de Backoff exponencial binario. Dos de las variables principales que regulan el comportamiento del algoritmo para el acceso al canal son, BE, que indica el exponente de backoff en un momento determinado, y NB, el cual es utilizado para contar el número de veces en las que el algoritmo se ha ejecutado hasta llegar a una transmisión exitosa. Cada vez que un nodo genera un paquete para la transmisión, debe esperar un número aleatorio de ranuras de backoff en el rango de 0 a 2 BE -1. Como punto de partida, BE se inicializa a su valor mínimo BEmin (por defecto BEmin = 3) llegando hasta su máximo valor BEmax (por defecto BEmax = 5). 23 Zigbee Specification. Zigbee. [Consultado el 22 de Noviembre de 2014]. Disponible en Internet: 24 POTHUGANTI, Op. cit., p31 La variable NB es asignada a 0 en el inicio. Después de esperar la cantidad de tiempo seleccionada, el nodo realiza una evaluación de canal libre (CCA) para determinar la disponibilidad del mismo al momento de llevar a cabo la transmisión del paquete. Boughanmi 25 presenta el análisis del algoritmo, menciona que si el canal está libre por una cantidad de tiempo TCCA, el nodo procede con la transmisión de datos y el procedimiento termina. Cuando el canal se percibe como ocupado, BE es incrementado en 1 (si BE< BEmax) y el contador de Backoff es también incrementado (NB = NB +1) y el procedimiento es repetido hasta que NB <= m, donde m hace referencia al número máximo de BE establecido para cada caso. Una vez que el nodo falle el intento de envío m+1, el paquete es descartado. De acuerdo a Feo 26, el protocolo MAC puede utilizar el modo de reconocimiento enviando una trama ACK, en el cual se indica la recepción exitosa del paquete, sin embargo, este modo puede afectar el rendimiento de la red debido a que ocasiona sobrecarga en la misma. Este protocolo también puede utilizar el modo NACK en el cual no se indica la recepción exitosa del paquete, sin embargo, disminuye el consumo de energía de los nodos y no sobrecarga la comunicación sobre la red. Según Boughanmi 27, la escalabilidad en WSAN cuando se emplea el acceso al medio con sincronización a través de beacons no es fácil de implementar, ya que al aumentar el número de nodos contendientes para acceder al medio, se degrada el protocolo MAC, generando congestiones causadas por los intentos simultáneos de acceso al medio, es por esto que en este trabajo se usó el tipo de acceso sin sincronización, ya que facilita la escalabilidad y autoconfiguración de la red. Debido a que este tipo de acceso al medio dificulta el cálculo del tiempo máximo de transmisión, en el capítulo 4 se propone un test de planificabilidad que tiene en cuenta dicho cálculo de tiempo y permite abordar aplicaciones con restricciones de tiempo real. 25 BOUGHANMI, Najet. Conception conjointe des systèmes contrôlès en réseau sans fil. Trabajo de grado Master en Ciencias. Instituto nacional politécnico de Lorraine, Francia. 20 de Mayo de p FEO, Eduardo. DI CARO, Gianni. An analytical model for IEEE non-beacon enabled CSMA-CA multihop wireless sensor network. En: IEEE. Suiza p BOUGHANMI, Op. cit., p32 2.3 REVISIÓN DEL ESTADO ACTUAL DE LOS MIDDLEWARE PARA WSAN CON REQUISITOS DE TIEMPO REAL Según Alrahmawy 28, un middleware se define como una capa que hace las veces de mediador entre la aplicación y las primitivas de base propuestas por un sistema operativo (SO) o una máquina virtual; que sirve de soporte para la ejecución de la aplicación. En otras palabras, un middleware provee un sistema de abstracción apropiado para que el programador (aplicación) se pueda centrar en la lógica de la aplicación sin preocuparse de los detalles de implementación de bajo nivel, así como también le permite al mismo gestionar la infraestructura de la WSAN. De acuerdo a Chávez 29, otra función del middleware consiste en suministrar mecanismos y servicios que permitan que un sistema distribuido funcione de forma eficiente y flexible, disimulando las heterogeneidades entre los nodos de una aplicación distribuida y proponiendo una representación consistente de datos que provienen de diferentes plataformas. El middleware hace las cosas transparentes para el usuario final, proporcionando consistencia, seguridad y privacidad. Por último, Wang 30 menciona que un middleware permite ofrecer servicios útiles para la construcción de aplicaciones distribuidas, dichos servicios se deben poder adaptar a diversas aplicaciones y plataformas. 28 ALRAHMAWY, Mohammed. Design Patterns and Component Framework for Building Real- Time Middleware. Departamento de Ciencias Computacionales. Universidad de York, Canadá. Septiembre de CHÁVEZ, Magaly. Middleware basado en el modelo publicación/suscripción para aplicación en sistemas embebidos distribuidos. Trabajo de grado Mestro en Ciencias. Colima México. Universidad de Colima. Facultad de Telemática, p WANG, Miao. CAO, Jian. LI, Jing. DASi, Sajal. Middleware for Wireless Sensor Network: A Survey. En: Journal of computer science and technology. Mayo de p33 Figura 3. Arquitectura de WSAN haciendo uso de un Middleware. La naturaleza de las aplicaciones consideradas en este trabajo implica la ejecución de actividades bajo restricciones de tiempo real. Adicionalemente, el hecho de que los recursos disponibles en el sistema pueden cambiar a lo largo de la ejecución del mismo, introduce una serie de restricciones relacionadas con el cumplimiento de plazos de las tareas que se ejecutan en el sistema. Para lograr un buen funcionamiento de la WSAN un middleware debe cumplir con las siguientes características: Soporte de comunicación. Según Chávez 31, la mayoría de los sistemas basados en el middleware involucran la distribución, permitiendo que las aplicaciones interactúen entre ellas y con servicios distribuidos en una red. También facilitan la comunicación entre máquinas debido a que ocultan los detalles de programación de bajo nivel dejando atrás la comunicación basada en sockets o llamadas a procedimientos remotos (RPC) y utilizando una comunicación basada en paso de mensajes entre publicador suscriptor. Soporte de concurrencia. Debido a que en muchas ocasiones las aplicaciones basadas en middleware deben llevar a cabo múltiples tareas, se hace indispensable maximizar la concurrencia en el sistema. Dicha tarea tiene un alto nivel de complejidad, es por esto que algunos sistemas de middleware tratan de ocultar dicha complejidad tomando estructuras que imponen ciertas reglas sobre las acciones que les son permitidas a las aplicaciones dentro de los diferentes contextos. 31 CHÁVEZ, A. Propuesta para la creación de un nodo de sensórica remota de arquitectura abierta. En: CRTECMote. Costa Rica p34 Servicios comunes del middleware. El middleware aborda las responsabilidades de cada dominio de aplicación de forma independiente, para dicha tarea se utilizan principalmente los siguientes servicios: servicio de directorio (le permite a las aplicaciones el descubrimiento dinámico de servicios), gestión de transacciones distribuidas y eventos, seguridad, monitoreo de recursos y de vitalidad de los nodos del sistema y por último la reconfiguración dinámica de aplicaciones. Según Chávez 32 y Masri 33, los principales desafíos que se presentan al momento de construir un middleware son: La funcionalidad del middleware debe permitir el desarrollo, mantenimiento, instalación y ejecución de aplicaciones de monitoreo. Debe permitir la coordinación de los nodos sensores para dividir y distribuir las tareas de los mismos. Debe suministrar el soporte de acuerdo a las características específicas de la WSAN, por ejemplo, energía y recursos, dinamismo, flexibilidad, reprogramabilidad, sincronización, localización de los nodos, entre otros. Requiere una infraestructura que permita seleccionar los parámetros o algoritmos que mejor resuelvan un determinado problema en términos de eficiencia, dadas las restricciones de la WSAN. Masri 34 define los siguientes principios de diseño para un Middleware: Centralidad en los datos: En las WSAN el interés de la aplicación no radica en los nodos, sino en la información que estos puedan entregar, la centralidad en los datos provee una vía más natural para que una aplicación exprese sus requerimientos y mejore el funcionamiento de la WSAN. Así, el diseño de un 32 CHÁVEZ, Op. cit., p MASRI, Wassim. MAMMERI, Zoubir. Middleware for Wireless Sensor Networks: A Comparative Analysis. En: Conferencia internacional en redes y computación paralela: Taller. IEEE. Francia p Ibid., p35 middleware debe soportar la centralidad de los datos proporcionando el enrutamiento centralizado de los mismos y las consultas dentro de la red. Administración de la energía y los recursos: Debido a los avances de la microelectrónica, los nodos sensores tienen recursos limitados como por ejemplo, batería, poder de computo, memoria y el ancho de banda para la comunicación, por lo tanto, el middleware sobre dichos dispositivos debe ser ligero, tener un consumo eficiente de la energía y debe tener un manejo óptimo de los recursos con el fin de proporcionar los servicios requeridos maximizando la vida del dispositivo. Procesamiento de la red: Cuando se organiza una red de forma distribuida, los nodos que la componen no solo pasan datos o ejecutan programas de aplicación, ellos también están envueltos de forma activa en la toma de las decisiones relacionadas con la operación de la red. Esta es una forma específica del procesamiento de la información que pasa a través de la red pero su información está limitada a la red misma. El middleware debe proveer la recolección de datos y los algoritmos de comprensión que le permitan a las aplicaciones la selección del algoritmo que se adapte de mejor manera a sus necesidades. Soporte de QoS: La función principal de una WSN es permitir que los nodos trabajen colaborativamente monitoreando y controlando el entorno físico. Cada nodo procesa los datos de los demás nodos y debe ser consistente en la entrega de la información, dicha consistencia es lo que se denomina QoS. Conocimiento de la aplicación: Los middleware tradicionales deben estar en capacidad de acoplarse a una amplia variedad de aplicaciones, pero debido a las limitaciones de los recursos y la energía, así como también la diversidad de los escenarios de aplicación, el middleware debe proveer mecanismos para inyectar aplicación del conocimiento en la infraestructura. Escalabilidad: Es la capacidad de mantener las características de rendimiento independientemente del tamaño de la red. El middleware debe permitir la escalabilidad manteniendo niveles aceptables de rendimiento aunque la red continúe en crecimiento. Robustez y topología dinámica de red: El middleware debe proveer una robustez apropiada puesto que en muchas ocasiones la WSAN va a estar ubicada en ambientes hostiles y en constante cambio, la topología de red puede cambiar de repente debido a la falla de un dispositivo, a una falla de comunicación, movilidad de un nodo, movilidad de obstáculos, etc. 3536 Adaptabilidad: Las WSAN están expuestas a muchos cambios como por ejemplo la topología de red, niveles de energía, fallas de nodos, etc. Por lo tanto el middleware diseñado para la WSAN debería proveer mecanismos adaptivos para las aplicaciones, permitiendo expresar sus necesidades basadas en los cambios que han ocurrido en la red. Configurabilidad y mantenibilidad: Aunque los nodos sensores fueron desarrollados inicialmente para trabajar largos periodos, las aplicaciones pueden necesitar reconfigurar alguno de ellos o asignarles nuevas tareas, por lo tanto, el middleware debe estar en capacidad de hacer actualizaciones y mantenimientos de forma sencilla y a bajo costo sobre dichos nodos. Integración con el mundo real: Las WSAN son utilizadas para monitorear los fenómenos del mundo real, por lo tanto, el tiempo y el espacio juegan un rol crucial en las redes de sensores para identificar y distinguir eventos en el mundo real, así como también, relacionar información de múltiples fuentes. Seguridad: Las medidas de seguridad de las WSAN no deben ser consideradas de la misma manera que las de otros tipos de redes por razones como por ejemplo: la infraestructura debe estar hecha de pequeños y baratos nodos dispersos en áreas potencialmente hostiles, por lo tanto, no se puede garantizar que estos no sean físicamente accedidos por atacantes. En este caso, dichos atacantes pueden tomar control del nodo y leer la memoria o alterar el software. Algunos algoritmos de encriptación son difíciles de implementar debido a las limitaciones computacionales y de memoria. Debido a las limitaciones de batería, los atacantes hacen que el dispositivo se sobrecargue y su tiempo de vida se termine. Heterogeneidad: Los nodos sensores pueden ser heterogéneos por construcción, algunos nodos tienen baterías de larga duración, dispositivos de comunicación de mayor alcance o un mayor procesamiento. También pueden ser heterogéneos por evolución, todos los nodos comienzan en el mismo estado, pero algunos nodos tienen que realizar tareas que terminan agotando su batería, otros tiene la capacidad de obtener energía del entorno, mientras que otros deben llevar a cabo sus tareas en las sombras. El middleware debe tener conocimiento sobre el estado de los nodos, el envío de tareas basado en el conocimiento sobre la energía restante. Sus dispositivos de comunicación y sus recursos computacionales. 3637 Rubio 35 presenta los tipos de implementación más comunes para Middleware: Agentes móviles: Permite a las entidades físicas transferir sus tareas inconclusas a otras entidades, las cuales son encadenadas para lograr eventualmente la finalización de dicha tarea. Basado en eventos: Provee los servicios de aplicaciones para adquisición, procesamiento y almacenamiento de datos. En este tipo de middleware, la aplicación específica el interés en ciertos cambios de estado, y los nodos sensores envían la notificación de los eventos hacia las aplicaciones interesadas. Almacenamiento de datos: Permite el almacenamiento central de datos, el cual es una de las tareas más importantes en un middleware para WSAN, se centra en consultas eficientes de enrutamiento y procesamiento. Máquinas virtuales: Permite a los desarrolladores escribir aplicaciones en separado en forma de pequeños módulos. El sistema inyecta y distribuye los módulos a través de toda la red usando algoritmos a medida (lo que genera la optimización del consumo de energía global y los recursos) para que la máquina virtual interprete dichos módulos. Tupla de espacios: Se utiliza para la recolección de datos y llevar a cabo la coordinación entre las acciones y la detección de dispositivos. Este tipo de middleware provee un modelo en el cual las consultas pueden ser presentadas a la WSAN tal como si los datos fueran almacenados en un repositorio central. Conducida por la aplicación. Este enfoque permite a los programadores afinar la red sobre los requerimientos básicos de la aplicación, es decir que las aplicaciones de gestión de la red dictarán las operaciones proporcionando una ventaja de QoS. 35 RUBIO, Bartolomé. DÍAZ, Manuel. TROYA, José. Programming Approaches and Challenges for Wireless Sensor Networks. En: Segunda conferencia internacional sobre sistemas y redes de comunicaciones, IEEE. Málaga, España p38 Basada en componentes: Es una moderna metodología que propone la construcción de software conectando diferentes componentes (SW). Este estilo de programación permite la creación de software flexible y adaptable. De esta forma, se pueden comparar los tipos de middleware de acuerdo al cumplimiento de los principios de diseño anteriormente citados. Cuadro 3. Comparación de Middleware para WSN. Algunos de los middleware para WSAN desarrollados son: MWSAN: El middleware para redes inalámbricas de sensores y actuadores (Middleware for wireless actor sensor network) proporciona un conjunto de servicios de alto nivel para redes de sensores y actuadores. Este middleware cumple con el paradigma de programación orientada a componentes y permite que los desarrolladores lo configuren de acuerdo a los recursos del nodo y los actuadores. Algunos de los aspectos que se tienen en cuenta para la configuración son la calidad del servicio (QoS), la configuración de la red y la coordinación entre los actuadores. 3839 MWSAN está especificado en la MU-RTCOM, y según Barbarán 36, es un modelo orientado a componentes para sistemas en tiempo real y adaptado a las WSAN. Este modelo proporciona las herramientas para definir características en tiempo real, por ejemplo, un esquema de prioridad en los acontecimientos que se deben ejecutar tras una alerta. Este tipo de modelos mejoran el comportamiento temporal de las aplicaciones WSAN. Useme Middleware: De acuerdo a Cañete 37, este middleware facilita la comunicación entre las relaciones lógicas y dinámicas de los servicios que interactúan en una aplicación. Los desarrolladores solo tienen que describir los servicios, los grupos de nodos y las interacciones de los mismos, su característica principal es la garantía en la seguridad al momento de desplegar y actualizar las aplicaciones sobre la red. Sus componentes son: o Componente de configuración: Permite a los programadores de las aplicaciones personalizar los parámetros del middleware. o Componente de publicación y descubrimiento: Este componente es el encargado de mantener el registro de los servicios publicados por el nodo, así como también de los servicios requeridos por el mismo, por esto, debe actualizar el estado de la red periódicamente con el fin de detectar los posibles cambios en la topología de la misma. o Componente de publicación y descubrimiento o Componente de invocación y comunicación: La labor de este componente es permitir que el programador de la aplicación ejecute comandos a distancia tal como si los invocara de forma local, puesto que este componente del middleware hace la traducción de dichos comandos. o Componente de restricción de tiempo: El middleware proporciona una serie de restricciones para llevar a cabo las acciones sobre la WSAN, estas 36 BARBARÁN, J. DIAZ, M. ESTEVE, I. GARRIDO, D. LLOPIS, L. RUBIO, B. A Real Time Component Oriented Middleware for Wireless Sensor and Actor Networks. En: IEEE p CAÑETE, E. CHEN, J. DÍAZ, M. LLOPIS, L. RUBIO, B. A Service Oriented Middleware for Wireless Sensor and Actors Networks. En: IEEE p40 restricciones son la prioridad (importancia de un evento sobre los demás), el periodo (intervalo de tiempo para un evento) y la fecha límite (tiempo máximo de ejecución de un evento). o Componente de gestión de grupos: Este componente es el encargado de la gestión de los nodos que comparten comportamientos comunes, por ejemplo, los rociadores de agua. Sentire: Branch 38 menciona que este middleware proporciona el soporte para la coordinación de actuadores distribuidos mediante los algoritmos utilizados para dicha labor en una red de inalámbrica de sensores y actuadores. La componente principal de este middleware es el director de coordinación (CM), el cual se encarga de llevar a cabo la coordinación de los actuadores distribuidos para el correcto funcionamiento de la red. Middleware universal para redes inalámbricas de sensores y actuadores: Según Zhang 39, este middleware es de propósito general, es decir que permite el desarrollo de aplicaciones de diversos campos (militares, salud, entre otros). Los componentes más importantes son el mecanismo de coordinación distribuido, el agente de gestión de las políticas de red, la fiabilidad del protocolo de transporte de datos y el entorno de ejecución de las aplicaciones. El caracter distribuido de las aplicaciones de WSAN requiere de un soporte para el intercambio de información más allá de computadores interconectados por buses de comunicaciones, pasando a un nivel de comunicación a nivel de componentes del sistema. De acuerdo a Talaminos 40, dentro de los middleware basados en componentes, existen diferentes especificaciones para la comunicación de dichos componentes en los sistemas distribuidos. En el cuadro 4 se presenta la comparación de dichas especificaciones. 38 BRANCH, Joel. CHEN, Lei. SZYMANSKY, Boleslaw. A Middleware Framework for Market Based Actuator Coordination in Sensor and Actuator Networks. En: IEEE. Julio de p ZHANG, Shuqin. DONG, Yuejun. DONG, Zhiyonk. CUI, Yan. A Universal Platform for Wireless Sensor and Actor Network Applications. En: IEEE. Zhongyuan, China p TALAMINOS, Alejandro. Nuevo sistema de información basado en el conocimiento: una aplicación al control de glucosa en pacientes diabéticos. Trabajo de grado Master en automática, robótica y telemática. Universidad de Sevilla, España p 41 Cuadro 4. Comparación de especificaciones para la comunicación de componentes en sistemas distribuidos. Con base en el cuadro 4 se concluye que las tecnologías más sobresalientes son DDS y CORBA, sin embargo, Gutiérrez 41 menciona que la especificación RT-CORBA no permite cumplir con requisitos de tiempo real, haciendo que se requiera el uso de la extensión POSIX de tiempo real, así mismo, Hayman 42 afirma que las políticas de calidad de servicio de DDS permiten cumplir con dichos requisitos. El servicio de distribución de datos DDS fue propuesto por OMG (Object Management Group), y contempla todos los aspectos necesarios para la comunicación, permitiendo desacoplar los componentes en tiempo, espacio y flujo de datos. El modelo DDS se divide en dos niveles, el núcleo de comunicaciones DCPS (Data-Centric Publish-Subscribe) y el nivel de adaptación a la aplicación DLRL (Data Local Reconstruction Layer). De acuerdo a la OMG 43, el núcleo de comunicaciones DCPS se basa en el paradigma de publicación-subscripción, por medio de componentes que mantienen la comunicación y que negocian los parámetros de calidad de servicio necesarios para cubrir los requisitos del sistema distribuido, especialmente en lo referente a tiempo real y asegurando al máximo la integridad de los datos. Las políticas de calidad de servicio que implementa DDS están divididas en los siguientes grupos: 41 GUTIERREZ, Javier. Sistemas distribuidos de tiempo real. Trabajo de grado Master en Computación. Universidad de Cantabria, España. 18 de Abril de p HAYMAN, Mark. Model Driven, Component Based Development for CBDDS. En: Northrop Gruman Corporation, Estados Unidos. Marzo 20 de p OMG Available Specification, Formal , Data Distributión Service for Real Time Systems Version 1.2. OMG. Enero de [Consultado el 10 de Septiembre de 2013]. Disponible en Internet: 4142 Gestión de Meta Datos: o TopicDataQoSPolicy: El uso de este parámetro permite adicionar información al tópico que pude ser accedido por la aplicación, cuando una nueva entidad, DataReader o DataWriter ha sido descubierta en el dominio. o UserDataQoSPolicy: El uso de este parámetro permite adicionar información al tópico que pude ser accedido por la aplicación cuando una nueva entidad, DataReader o DataWriter, ha sido descubierta en el dominio. o GroupDataQoSPolicy: El propósito de este parámetro es adicionar información a la Entidad, Publicador o Suscriptor, descubierto en un dominio. El valor de este group-data está disponible en el DataReader y el DataWriter de la aplicación. Este parámetro es usado en una aplicación en conjunto con el DataReaderListener y el DataWriterListener. Aspectos Temporales: o DurabilityQoSPolicy: Especifica si el DDS tomará muestras pasadas de datos disponibles para unirse a los nuevos DataReader del sistema. Puede ser de tres tipos: Volátil (El sistema no mantiene ninguna muestra de datos pasada), Transitorio (se mantiene cierto número de muestras, las cuales están determinada por los parámetros de Historia (History) y los límites de recursos (Resource_Limits) y Persistente (El sistema mantiene todas las muestras pasadas sobre algún tipo de memoria no volátil). o DurabilityServiceQoSPolicy: Se usa para configurar la History Qos y los Resources Limits Qos, los cuales son usados por los DataReader y DataWriter ficticios que permiten implementar el servicio de persistencia. o DeadlineQoSPolicy: Este parámetro es útil en casos en los cuales el tópico espera tener cada instancia actualizada de forma periódica. En el lado del publicador, la configuración establece un contrato que la aplicación debe conocer. En el lado del suscriptor, la configuración establece unos requerimientos mínimos para los publicadores remotos que son esperados para proveer los valores de los datos. (period<=request deadline period) o LatencyBudgetQoSPolicy: Esta política provee un método a la aplicación en el cual se puede indicar en el lado del publicador, el retraso máximo aceptable en la entrega de un mensaje al suscriptor. 4243 o TimeBasedFilterQoSPolicy: Permite asignar un valor mínimo de separación (periodo), el cual especifica que un DataReader va a recibir nuevos mensajes con esta mínima separación de tiempo (limita el número de muestras de datos recibidas por un tópico) o LivelinessQoSPolicy: Controla los mecanismos y los parámetros de los servicios para asegurar que las entidades DDS sigan activas alive (se determina cuando se escriben datos). La forma de determinar dicha actividad puede ser: Automática (Una seña de vida se envía automáticamente con la frecuencia que ha sido especificada), Manual por participante (La entidad es considerada como activa, si alguna de las otras entidades dentro del mismo dominio están activas) y Manual por tópico (El DataWriter se considera como activo solo si al menos una instancia del tópico ha sido afirmada por la aplicación). o LifeSpanQoSPolicy: El propósito de esta parámetro es evitar la entrega de datos viejos de la aplicación (se basa en el expiration time y está asociado al DataWriter). Gestión de Flujos de Datos: o PresentationQoSPolicy: Este parámetro controla el grado en el cual los cambios de las instancias de los datos pueden ser dependientes uno del otro, y también el tipo de la dependencia que puede ser propagada y mantenida por el servicio. o TransportPriorityQoSPolicy: El objetivo de esta política es permitir a la aplicación la asignación de prioridades en los mensajes relacionados con un tópico dentro de un dominio. o ReliabilityQoSPolicy: Esta política indica el nivel de fiabilidad solicitada por un DataReader y ofrecido por un DataWriter. Especifica si el DataReader recibe la información de forma fiable del DataWriter, en caso de que no sea así, el DDS ordena la retransmisión de datos. o DestinationOrderQoSPolicy: Esta política controla la forma en que cada suscriptor resuelve el valor final de una instancia de los datos que escriben los objetos de los múltiples DataWriter que se ejecutan en los diferentes nodos, es decir, la forma en la que determina el manejo de una situación en la cual recibe muestras en un orden diferente en el que fueron enviadas. 4344 o HistoryQoSPolicy: Especifica el número de muestras de datos que se almacenarán para la posterior entrega en la infraestructura de DDS. o ResourceLimitsQoSPolicy: Especifica cuanta memoria local puede ser usada por la infraestructura DDS. También se pueden especificar el número de instancias, muestras de datos y muestras de datos por instancia. o OwnerShipQoSPolicy: Esta política controla la capacidad de servicio para permitirle a los object multiples DataWriter para actualizar la misma instancia de los data-object. (Se identifica por el tópico+key ). Puede ser de dos tipos, Shared (Multiples writers pueden actualizar la misma instancia) y Exclusive (Un solo datawriter puede actualizar una instancia). o OwnerShipStrengthQoSPolicy: Determina el propietario de una instancia de datos (identificado por la Key ). Este parámetro solo es aplicable en Ownership-Exclusive Gestión de Componentes: o PartitionQoSPolicy: Permite la introducción del concepto de una partición lógica dentro de una partición física inducida por un dominio. Se define como una vía lógica para separar tópicos sin un dominio. o EntityFactoryQoSPolicy: Todas las entidades DDS deben ser habilitadas antes de llegar a ser visibles y poder ser usadas para comunicación en la red. Este parámetro de QoS es un mecanismo por medio del cual un usuario puede indicar cuales entidades deben ser habilitadas de forma automática al momento de ser creadas o si se permite su habilitación en un momento posterior. o WriterDataLifecycleQoSPolicy: Es un parámetro que controla la eliminación automática de datos de cola de un DataWriter si este no ha sido registrado de forma reciente (por ejemplo, si ha salido del rango de cobertura en una aplicación en la cual se deba reportar la ubicación de objetos en movimiento). 4445 o ReaderDataLifecycleQoSPolicy: Especifica un periodo de duración en el cual el DataReader va a mantener los datos para las instancias del tópico cuando los DataWriter para esta instancia ya no existen. Poza 44 presenta el resumen de las políticas de calidad de servicio QoS. Cuadro 5. Resumen de las políticas de calidad QoS. Donde, DP: Domain Participant DR: Data Reader DW: Data Writer TP: Topic 44 POZA, José. El modelo de comunicaciones DCPS Versión 0.3. Universidad Politécnica de Valencia, Instituto de Automática e Informática Industrial. Noviembre 10 de [Consultado el 12 de Octubre de 2014]. Disponible en Internet: DCPS.pdf 4546 Pb: Publisher Sb: Subscriber RxO (Requested/Offered): con las características de negociación de los valores de las políticas de calidad de servicio, esta columna puede tomar los siguientes valores: Valor Sí : Indica que la política de calidad de servicio debe estar tanto en el Publishing como en el Subscriber y la combinación de valores de los elementos implicados debe ser compatible. Valor No : Indica que la calidad de servicio debe estar tanto en el Publishing y en el Subscriber, pero los dos valores pueden ser independientes. Esto implica que todas las posibles combinaciones son compatibles. Valor N/A : Indica que la política puede estar tanto en el lado del Publishing como del Subscriber, pero no en ambos. No se aplica ninguna comprobación de compatibilidad. CH (Changeable): Muestra la variabilidad de la política de calidad de servicio. Esta columna indica si la calidad de servicio puede ser alterada después de que la Entidad a la que se está aplicando la calidad de servicio esté activada, o lo que es lo mismo en funcionamiento Clasificación de los middleware: Según Escolar 45, los middleware se clasifican principalmente de acuerdo a las características del entorno, esto quiere decir que su clasificación depende de si el entorno es variable o estático. En la figura 4 se presenta la clasificación de los middleware de acuerdo a su adaptabilidad a la red. 45 ESCOLAR, S. Wireless Sensor Networks: Estado del Arte e Investigación. [Consultado el 17 de Noviembre de 2014]. Disponible en Internet: 4647 Figura 4. Clasificación de los Middleware en función de su adaptabilidad a la red. 2.4 ALGORITMOS DE PLANIFICACIÓN DE TAREAS PARA WSAN CON REQUISITOS DE TIEMPO REAL El desempeño de algunas aplicaciones puede ser afectado por la magnitud de los retrasos en el envío de la información entre los componentes del sistema, tal es el caso de los sistemas de control donde sus componentes se comunican a través de redes de comunicaciones, los cuales se denominan Networked Control Systems (NCS); estas aplicaciones tienen restricciones de tiempo real con plazos de respuesta extremo-extremo. Este tiempo es medido desde el instante en que se realiza la medición de las variables necesarias para calcular la acción de control, hasta cuando se actúa sobre el sistema, y depende de los tiempos de finalización de las tareas y del envío de los mensajes a través de la red. Según Spuri 46, en su formulación general, el problema de evaluar la planificabilidad de un sistema distribuido de tiempo real es NP-hard. Con el fin de superar esta dificultad se deben emplear restricciones y heurísticas. Un enfoque común es asignar las tareas estáticamente a los nodos que conforman el sistema y localmente utilizar un algoritmo de planificación como RM (Rate Monotonic) o EDF (Earliest Deadline First). 46 SPURI, Marco. Holistic Analysis for Deadline Scheduled Real-Time Distributed Systems. En: ACM. France, April p48 Audsley 47 menciona que las aplicaciones en sistemas distribuidos están caracterizadas por poseer relaciones de precedencia entre sus tareas. Si las tareas son estáticamente asignadas a procesadores independientes, las restricciones de tiempo extremo-extremo pueden ser analizadas por una teoría que considere la relación entre los jitter. Tindell 48, Spuri 49, y Palencia 50 presentan diversos trabajos orientados al análisis de planificabilidad extremo-extremo, en los cuales se han empleado algoritmos de planificación en los nodos tales como RM y EDF, y protocolos de acceso al medio basados en TDMA, Token y Prioridades. Adicionalmente, en estos trabajos se considera el uso de buffers para almacenar mensajes dentro de los nodos, y por tanto emplean métodos de planificación para ordenar la salida de los mensajes desde el buffer. En el contexto de la redes de sensores uno de los sistemas operativos más empleado ha sido el TinyOS 51, el cual está orientado para uso en sistemas de cómputo con grandes restricciones, tales como microcontroladores de 8 bits con pequeña cantidad de memoria. Se soporta en un modelo de programación basado en componentes y guiado por eventos, en el cual los manejadores de eventos tienen mayor prioridad que las tareas, las cuales se ejecutan basadas en un planificador FCFS (First-Come First-Served). La principal motivación para utilizar planificadores guiados por eventos en este tipo de aplicaciones, es porque aquellas plataformas donde se han implementado están orientadas a abordar sistemas reactivos, por lo que el uso de estos esquemas de planificación posibilitan el envío del procesador a modos 47 AUDSLEY, N. BURNS, A. RICHARDSON, M. TINDELL K. WELLINGS A.J. Applying New Scheduling Theory to Static Priority Pre-emptive Scheduling. En: Software Engineering Journal September p TINDELL, Ken. CLARK, Jhon. Holistic Schedulability Analysis for Distributed Hard Real-Time Systems, Microprocessors and Microprogramming. En: IEEE p. TINDELL, K. BURNS, A. WELLINGS, A. Analysis of Hard Real-Time Communications. En: The Journal of Real-Time Systems p SPURI, Op. cit., p PALENCIA, J. GUTIERREZ, J. GONZÁLEZ, M. On the schedulability analysis for distributed hard real-time systems. En: Proceedings. Ninth Euromicro Workshop. Junio de p Sistema Operativo TinyOS. TinyOS. [Consultado el 10 de Octubre de 2014]. Disponible en Internet: 4849 de bajo consumo de potencia por instantes de tiempo más prolongados, y de esta forma se incrementa el tiempo de vida de la aplicación. Sin embargo este tipo de planificadores no son adecuados para garantizar plazos de tiempo real, lo cual es importante en aplicaciones de control. En la serie de productos Zigbee de Chipcon y Texas Instruments se emplea un planificador de tareas basado en prioridades estáticas, y mecanismos de comunicación soportados en paso de mensajes. Lo mismo ocurre en nuevas plataformas soportadas en el CortexM3, para los cuales se han desarrollado núcleos como el FreeRTOS. Aunque la planificación por prioridades fijas es la técnica de planificación en línea más popular en sistemas de tiempo real, el uso del algoritmo EDF está tomando cada vez más atención en ambientes industriales, debido a sus beneficios en cuanto al manejo de los recursos del sistema. Actualmente EDF está disponible en lenguajes de tiempo real como RTSJ. También está disponible en sistemas operativos de tiempo real como SHaRK y ERIKA 4950 3. ARQUITECTURA DE LOS NODOS El desarrollo de WSAN está determinado por el cumplimento de fuertes restricciones impuestas por la aplicación, tales como restricciones de consumo de potencia, limitado poder de cómputo, cobertura de grandes áreas, restricciones de tiempo real, entre otras. Con base en ello, en este capítulo se presenta la arquitectura utilizada para la implementación de los nodos que conforman las aplicaciones en los contextos industriales y de salud. De acuerdo a los requisitos de las aplicaciones industriales y de salud presentados en el capítulo 2, Es indispensable que la arquitectura de nodos seleccionada para implementar dichas aplicaciones, posibilite el desarrollo de las mismas teniendo en cuenta los siguientes requisitos: Reconfiguración del sistema debido al cambio dinámico de los requisitos de las aplicaciones Tiempo real para el contexto de las aplicaciones estudiadas Escalabilidad del sistema Permitir la ejecución de algoritmos de diagnóstico y control como los mencionados en el capítulo 2 (Requisitos de las aplicaciones) 3.1. ARQUITECTURA PROPUESTA PARA LOS NODOS En una WSAN pueden existir nodos con recursos disímiles, Martínez 52 propuso dos tipos de nodos para el diseño de aplicaciones en contextos industriales y de salud, bajo desempeño y alto desempeño, la descripción de los tipos de nodos es la siguiente: Nodos de bajo desempeño. Pueden ser desarrollados con sistemas en chip que contengan los coprocesadores de comunicaciones, cifrado de datos y localización, tales como los actuales procesadores CC2430/31, CC2530/31 y 52 MARTÍNEZ. Op. cit., p51 ATmega128RF, estos facilitan la implementación de los protocolos IEEE y Zigbee, entre otros. El CC2531 también tiene implementado un componente hardware que facilita la localización de nodos empleando algoritmos de triangulación. Nodos de alto desempeño. Para el desarrollo de estos nodos se emplea un procesador para ejecutar la aplicación y un coprocesador para implementar los protocolos de la red de comunicaciones. Para implementar la aplicación se sugiere utilizar procesadores MSP430, ARM, Cortex o XScale, los cuales realizan un buen balance entre el cómputo realizado y la potencia consumida; adicionalmente los procesadores XScale facilitan la implementación de estrategias de ahorro de energía soportadas en Dynamic Voltage Scaling. Como coprocesador se sugieren el MRF24J40 y el ATmega128RF para facilitar la implementación de ranuras de tiempo garantizadas, o el CC2480 con el que se facilita el desarrollo de aplicaciones con el protocolo Zigbee. Actualmente, existen diferentes grupos en los principales centros de investigación a nivel mundial que han desarrollado nodos para WSAN. Una de las arquitecturas más representativas debido a su uso extendido en múltiples aplicaciones, es la diseñada para el desarrollo de Motes de la Universidad de California en Berkeley la cual, está implementada en los dispositivos que comercializa Crossbow 53. Según Polastre 54, esta arquitectura permite que los sistemas que la implementen hagan uso de procesadores de 8 bits (por ejemplo el Mica 2 con el ATMega 128), o de procesadores de 16 bits, como por ejemplo el Telos, desarrollado a partir del procesador TI MSP430, un procesador de bajo consumo. De acuerdo a lo mencionado por Libellium 55, la gran mayoría de desarrollos comerciales de arquitecturas de nodos que se han realizado, han sido impulsados por compañías que financian las investigaciones en las universidades y los centros de investigación, o han hecho el desarrollo por su cuenta. Por ejemplo, el desarrollo de los Motes que se mencionó anteriormente, fue financiado por Intel, permitiendo que con la experiencia en 53 Crossbow. Crossbow wireless sensor network. [Consultado el 23 de Septiembre de 2013]. Disponible en internet: 54 POLASTRE, J. SZEWCZYK, R. CULLER, D. Telos: Enabling ultra-low power wireless research. En: Proceedings of the fourth international symposium of information processing in sensor network p Squeedbee en comunicaciones distribuidas. LIBELIUM. [Consultado el 27 de Septiembre de 2013]. Disponible en internet: 5152 desarrollo se creara el Intel Mote, cuya característica fundamental es el uso de un procesador de 32 bits (ARM 7) o el Sun Spot, de Sun Microsystems, en el cual se programa haciendo uso de Java, ambos casos constituyen desarrollos de sistemas cerrados. Según Chávez 56, la tendencia actual para el desarrollo de WSAN ha motivado el diseño de diversas arquitecturas de nodos para dichas redes, sin embargo, existen pocas alternativas que permiten un desarrollo abierto de hardware. Una de las alternativas disponibles es la arquitectura Squidbee de la Universidad de Zaragoza, la cual es comercializada por Libelium. Dicho sistema cuenta con características semejantes a las de los sistemas cerrados que se mencionaron anteriormente, como por ejemplo, un sistema de transmisión con una tecnología estándar (Zigbee), así como también, fuentes independientes de energía. A pesar de que existen diversas propuestas de arquitecturas de nodos que soportan la escalabilidad de sistemas de WSAN (Squidbee, Sun Spot, Intel Mote, etc.), tienen como limitante el uso de un único procesador (ya sea de 8, 16, o 32 bits), lo que dificulta la reconfiguración del sistema y el cumplimiento de los requisitos de tiempo real en los contextos de las aplicaciones consideradas en este trabajo, puesto que la carga computacional que recaerá sobre el procesador al momento de ejecutar los algoritmos de diagnóstico y control, así como también la implementación del protocolo de comunicaciones y la sincronización de los nodos, pueden generar que el desempeño de la WSAN se degrade, impidiendo que el sistema responda a los requisitos demandados por las aplicaciones mencionadas anteriormente. Siendo así, es indispensable seleccionar una arquitectura de nodo que permita dar cumplimiento a los requisitos de los nodos establecidos para este trabajo. Crespo 57 presenta la arquitectura lógica propuesta en el proyecto D2ARS para los nodos de WSAN se presenta en la figura 5, dicha arquitectura posibilita el desarrollo de sistemas con requisitos de retrasos acotados y la reconfiguración del sistema en función del cambio dinámico de los requisitos de las aplicaciones industriales y de salud, esto se debe a que el nivel de hardware está implementado como nodo de alto desempeño, permitiendo ejecutar la 56 CHÁVEZ. Op. cit., p CRESPO, Alfons. MARTÍNEZ, Diego. PEREIRA, Carlos. VALLEJO, Eric. ALVARADO, Pablo. RODRIGUEZ, Roberto. LLANES, Orestes. CAPEL, Manuel. GOZÁLEZ, Apolinar. SANCHEZ, Jaime. Diseño y desarrollo de aplicaciones basadas en redes de sensores D2ARS. En: CYTED. España p53 aplicación en un procesador y los protocolos de red en el coprocesador, repartiendo las cargas computacionales en dichos procesadores. Ya que esta arquitectura es coherente con los requisitos de las aplicaciones y los requisitos de los nodos propuestos en este trabajo, fue acogida para el mismo. Figura 5. Arquitectura lógica de los nodos de alto desempeño La función de los diferentes niveles de la arquitectura del nodo es: Tareas: Realizan las actividades relacionadas con la aplicación. Middleware: Recibe las solicitudes de las tareas a partir de lo cual realiza la configuración del modo de funcionamiento para un determinado escenario, entendido este como un conjunto de tareas con requisitos de cómputo y restricciones de tiempo conocidos. En el proyecto D2ARS se abordó la implementación del nivel de hardware y el nivel del núcleo del sistema operativo, dejando como trabajo a futuro el abordaje del nivel de middleware, dicho nivel fue abordado en este trabajo. Con base en los requisitos de las tareas, el middleware ejecuta el test de planificabilidad extermo-extremo presentado en el capítulo 4 (el cual es el 5354 aporte de investigación hecho en este trabajo). Los resultados del test determinan la activación de la tarea en el planificador. Núcleo del sistema operativo: Es un núcleo de soporte mínimo, que realiza la ejecución de las tareas con base en una política de planificación de tiempo real. En este trabajo se utilizó un planificador basado en prioridades fijas, el cual cumple con las características del test de planificabilidad propuesto (capítulo 4); además, esta política de planificabilidad es la más utilizada en los entornos comerciales por lo que se facilita el desarrollo de las aplicaciones de monitoreo y control en WSAN. Hardware. Está compuesto de dos procesadores, el procesador principal y el coprocesador. El procesador principal ejecuta las tareas, para lo cual es posible utilizar procesadores con arquitecturas como ARM, Cortex o XScale. El coprocesador implementa los niveles físico, de enlace y de encaminamiento de mensajes, de la red de comunicaciones. De tal forma que estas actividades no afecten el desempeño de las funciones de procesamiento, garantizando el nivel de calidad de la aplicación y la sincronización de los nodos de la red NODO DE ALTO DESEMPEÑO A partir de la arquitectura propuesta para los nodos en el proyecto D2ARS, se seleccionó la arquitectura de un nodo de altas prestaciones. Con base a lo presentado por Sherman 58 y Labrosse 59, en el cuadro 6 se presenta la comparación de las tecnologías más sobresalientes en el mercado para la implementación del procesador principal. De acuerdo al cuadro 6, el procesador que presenta las características más sobresalientes es el ARM Cortex-M3, ya que provee mecanismos para ahorro de energía (Modo de suspensión y modo de activación), disminuye el retardo causado por las interrupciones, permite manejar hasta 256 niveles de prioridad diferentes (lo cual es indispensable a la hora de reconfigurar el sistema de acuerdo a las tareas que se estén ejecutando), entre otros. 58 SHERMAN, Amir. Record Year for MCU Selling & ARM Based Selling. En: Arrow Israel. Israel p LABROSSE, Jean. FRIMANSON, Lotta. LUNDGREN, Anders. Building advanced Cortex M3 Applications. En: IEEE. Estados Unidos de América p55 Cuadro 6. Comparación de tecnologías con procesadores de 32 bits Características ARM7TDMI ARM CORTEX M0 ARM CORTEX M3 Número de interrupciones Niveles de prioridad de interrupción Retardo por interrupción (Ciclos) Bus SPI Interfaz de fallas No No División de hardware NO No Sí (opcional) Sí (opcional) Modos de suspensión (Sleep Modes) Ninguno Integrado Integrado Modo de activación (Wake-up mode) Ninguno Integrado Integrado Con base en la información suministrada por Arduino 60, Texas Instruments 61, Silicio 62 y Palma 63, en el cuadro 7 se presentan los dispositivos comerciales (kits de desarrollo) de mayor venta que incluyen el procesador ARM Cortex-M3. En dicho cudaro, Arduino DUE y Stellaris LM3S9D96 presentan las características más sobresalientes, sin embargo, el dispositivo de Stellaris posee la tarjeta de expansión EPI, la cual permite la integración del coprocesador necesario para implementar los protocolos de comunicaciones. De acuerdo a esto, el sistema elegido para la implementación del procesador principal es el kit de desarrollo Stellaris LM3S9D Arduino DUE. Arduino [Consultado el 18 de Noviembre de 2014]. Disponible en internet: 61 Stellaris LM3S9D96 Development Kit, Manual de usuario. Texas Instruments. [Consultado el 12 de Marzo de 2012]. Disponible en Internet: 62 Maple Leaf Cortex-M3. SILICIO MX [Consultado el 07 de Septiembre de 2014]. Disponible en internet: 63 Coconut Board ARM Cortex M-3. PALMA. Agosto de [Consultado el 04 de Octubre de 2014]. Disponible en internet: 5556 Cuadro 7. Características de los kits de desarrollo comerciales que incluyen ARM Cortex-M3 Características Maple Leaf Coconut Board Arduino DUE Stellaris LM3S9D96 Velocidad del reloj (MHz) Voltaje de funcionamiento (V) 3,3 3,3 3,3 3,3 Voltaje de alimentación (V) , (Recomenda 3-12 do) Pines IO Digitales Pines de entrada análoga Memoria Flash (KB) SRAM (KB) Texas Instruments 64 Stellaris LM3S9D96 proporciona una plataforma de desarrollo basada en MCU Stellaris ARM Cortex-M3 habilitada con Ethernet, USB OTG/Host/Device y CAN. Cada circuito contiene una interfaz In-Circuit Debug Interface (ICDI) que proporciona funcionalidad de depuración de hardware no sólo en dispositivos Stellaris, también para cualquier microcontrolador Stellaris. Algunas de sus características asociadas al hardware son: Stellaris LM3S9D96 MCU con ethernet integrado, CAN y USB OTG/Host/Device Pantalla táctil LCD 3.5" QVGA Interfaz integrado Interchip Sound (I2S) Audio, interfaz para tarjeta MicroSD Conector de depuración JTAG ARM 10 pin con modos de entrada y salida 64 Stellaris LM3S9D96 Development Kit, Manual de usuario. Op. cit., p57 La figura 6 presenta el kit de desarrollo Stellaris LM3S9D96. Figura 6. STELLARIS. Stellaris LM3S9D96. Este kit de desarrollo permite la integración con diversos módulos, como por ejemplo, módulos de dispositivos de comunicación inalámbrica que implementan el protocolo Zigbee, esto permite que en un procesador se ejecute la aplicación, en este caso el Cortex-M3, y en otro los protocolos de red. El módulo que se integró para la implementación del protocolo Zigbee contiene el microcontrolador CC2530; en el cuadro 8 se presenta la comparación de dicho dispositivo respecto a algunos de los más conocidos en el mercado. 57 58 Cuadro 8. Comparación de microcontroladores comerciales. Otra de las características más notables del kit de desarrollo Stellaris LM3S9D96, es que permite la ejecución del sistema operativo en tiempo real denominado safertos, el cual integra un planificador de tareas basado en prioridades fijas. Este sistema operativo ha sido diseñado para aplicaciones sobre procesadores de 32 bits, además de ser usado en gran variedad de aplicaciones médicas e industriales, tales como las bombas de infusión, equipos de trasplante de órganos, equipos para generación de energía, monitoreo industrial o equipo de detección. Algunos de los beneficios que provee safertos están relacionados con la mejora de la portabilidad de las aplicaciones y reúso de software, razón por la cual se seleccionó para implementar el nivel de sistema operativo de la arquitectura del nodo de altas prestaciones. El planificador de tareas en tiempo real que implementa safertos cuenta con las siguientes características: Se puede crear cualquier cantidad de tareas, el único factor limitante es la RAM. A cada tarea se le asigna una prioridad; varias tareas pueden contar con el mismo nivel de prioridad, cuando dos tareas cuentan con el mismo nivel de prioridad, el planificador aplica una política de Ejecutivo Cíclico para decidir el orden de ejecución de las tareas. Las tareas cuentan con 4 estados, running, blocked, suspended y ready, además de contar con semáforos binarios que permiten la sincronización de las tareas. 5859 Finalmente, sobre safertos se implementó el middleware desarrollado, el cual se detalla en el capítulo 5, completando así la arquitectura del nodo con base en la propuesta realizada en el proyecto D2ARS. 5960 4. TEST DE PLANIFICABILIDAD PARA LA EJECUCIÓN DE APLICACIONES DE TIEMPO REAL EN WSAN Según Palencia 65 y Tindell 66, un test de planificabilidad se define como la herramienta que permite garantizar el cumplimiento de las restricciones temporales en sistemas de tiempo real. En el caso del middleware, es indispensable cumplir con las restricciones impuestas por las aplicaciones industriales y de salud, de ahí radica la importancia de implementar un test de planificabilidad, es por esto que en este trabajo se propuso un test de planificabilidad extremo-extremo para WSAN, cuyos nodos integran un planificador de tareas soportado en prioridades fijas y el protocolo Zigbee para la comunicación entre los nodos, lo cual concuerda con la arquitectura de nodos propuesta en el capítulo 3. El esquema de ejecución de tareas sobre NCS se presenta en la figura 7. Figura 7. Esquema de ejecución de tareas del NCS. 65 PALENCIA, Op. cit., p TINDELL, Op. cit., p. 6 6061 Martínez 67 menciona que en un esquema general, las tareas que realizan las funciones dentro del NCS, Medición, Control y Actuación, se ejecutan en dicha secuencia y en exclusión mutua (no se puede iniciar la ejecución de la siguiente función si la anterior no ha finalizado) NOTACIÓN Y MODELO DEL SISTEMA Como se mencionó anteriormente, las aplicaciones consideradas en este trabajo han sido implementadas sobre el modo de acceso al medio con escucha de portadora y evasión de colisiones (CSMA-CA), para presentar el análisis de planificabilidad propuesto se presentan las siguientes definiciones: r m, r C, r A, corresponden al tiempo máximo de ejecución asociado a las tareas de medición, control y actuación, teniendo en cuenta el tiempo máximo que le toma a un mensaje llegar de la fuente al destino. Tm Es el periodo de muestreo empleado en la medición Audsley 68 define: r n+1 Api = C Api + B Api + r Ap n i +J j j hp(i) C j, es el tiempo máximo de respuesta de las funciones ejecutadas por los nodos del NCS. T j C Api, es el máximo tiempo de cómputo que utiliza una tarea i. B Api, es el máximo tiempo de bloqueo que experimenta una tarea i 67 MARTÍNEZ, Op. cit., p AUDSLEY, Op. cit., p62 T j, es el periodo de ejecución de una tarea j. max J j = [J k + r k + M k,i ] k dpred(i) tarea j., corresponde al Jitter de liberación de una Timmons 69 define: M k,i = ((RN max + Time Ack )Num AckFail ) Time Ack, es el retardo máximo de un mensaje enviado desde una tarea k hasta una tarea i. RN max = TA max+ n 0 (Random_Delay + CCA), es el número de veces en las cuales no se recibe la notificación de ACK enviada desde el destino de una comunicación hasta el origen de la misma. Boughanmi 70 define: Random_Delay = (0: 2 BE 1), es el tiempo aleatorio que debe esperar un mensaje para ser reenviado, por defecto para cada colisión es de ms. Time Ack, es el tiempo que toma el mensaje que es enviado desde el destino de una comunicación hasta el origen de la misma, con el fin de confirmar la recepción de un mensaje (0,864 ms). BE es el exponente de backoff en un momento determinado. CCA es la evaluación de canal despejado (Clear Channel Assessment), la cual tiene un tiempo por defecto de ms (Boughanmi, 2011) 69 TIMMONS, N. SCALON, W. Analysis of the performance of IEEE for Medical Sensor Body Area Networking. En: IEEE, Sensor and Ad hoc Communications and Networks p BOUGHANMI, Op. cit., p63 TA max = [(BH + BP)BT], es el tiempo máximo tomado para enviar una cantidad de bytes de un punto a otro. BH corresponde a la cantidad de bytes de cabecera que se van a enviar. BP corresponde a la cantidad de bytes de carga (payload). BT corresponde al tiempo que toma cada byte en llegar de un punto a otro. Martínez 71 define: D Global, corresponde al deadline global entregado por la aplicación ANÁLISIS DE PLANIFICABILIDAD EXTREMO-EXTREMO PARA WSAN MULTI-SALTO En este tipo de sistemas, los mensajes realizan varios saltos desde que son enviados por el emisor hasta alcanzar el destino final de la información. 71 MARTÍNEZ, Op. cit., p64 Figura 8. Envío de información en modo multisalto De acuerdo al tipo de aplicaciones (industriales y de salud) que han sido objeto de estudio en este trabajo, en el análisis de planificabilidad propuesto se deben considerar los siguientes aspectos: Como tipo de aplicaciones con retrasos acotados en este trabajo se han considerado Networked Control Systems (NCS). El acceso al medio se da por contienda Según Zigbee Pro Stack 72 y Zigbee Specification 73, el protocolo Zigbee permite una profundidad máxima de red de 15 dispositivos (número de niveles por debajo del coordinador, ver Figura 9) y el número máximo de saltos que un mensaje puede hacer de la fuente al destino es 30 (el doble de la profundidad de red). Para llevar a cabo el cálculo del peor caso de respuesta haciendo uso del protocolo Zigbee, se debe tener en cuenta el número máximo de reenvíos (n) que permite dicho protocolo, el cual es de 7 (0 n 7), y el tiempo de espera estimado para llevar a cabo cada uno de los reenvíos (el cual estará definido por el algoritmo de back-off exponencial binario que utiliza CSMA CA para , ver Figura 10). 72 Zigbee Pro Stack - User guide. Laboratorios NXP. 19 de Diciembre de 2012 [Consultado el 15 de Noviembre de 2014]. Disponible en internet: com/documents/user_manual/jn- UG-3048.pdf 73 Zigbee Specification, Op. cit., p65 Figura 9. Número máximo de niveles Zigbee Figura 10. Algoritmo CSMA-CA 6566 Al momento de llevar a cabo el análisis de planificabilidad extremo-extremo en el NCS, se hace necesario que la sumatoria de los tiempos de ejecución relacionado con las funciones de Medición, Control y Actuación, y el tiempo de envío de los mensajes sobre la red, sea menor que el plazo extremo extremo propuesto para la ejecución del NCS, por ende, es indispensable calcular el tiempo máximo de respuesta de cada una de las tareas ejecutadas en el nodo respectivo del NCS (r m, r C, r A ). En el caso de la tarea de medición y el envío del mensaje que incluye el valor de la medición, se define la siguiente función para calcular el tiempo máximo de respuesta así: r m n+1 = C m + B m + j hp(i) r m n +J j C T j j En el caso de la tarea de control y el envío del mensaje que incluye el valor de la acción de control, se define la siguiente función para calcular el tiempo máximo de respuesta así: r c n+1 = C c + B c + j hp(i) r c n +J j C T j j Finalmente, en el caso de la tarea de actuación se define la siguiente función para calcular el tiempo máximo de respuesta así: r a n+1 = C a + B a + j hp(i) r a n T j C j Con base en las definiciones realizadas para r m, r C y r A, el test propuesto para garantizar la planificabilidad extremo-extremo en NCS, que ejecuta un conjunto de tareas en un sistema distribuido que emplea una política de planificabilidad soportada en prioridades fijas, consiste en verificar que: D Global r m + r c + r a 6667 5. MIDDLEWARE PARA WSAN Según Fei 74, un middleware está compuesto tradicionalmente por los siguientes componentes: Figura 11. Componentes tradicionales de un Middleware para WSN. Servicios del Sistema Abstracciones de Programación Soporte de Ejecución Mecanismos QoS Dónde: Servicios del Sistema: Un middleware internamente debe proveer implementaciones concretas de las abstracciones de programación, dichas implementaciones son denominadas servicios del sistema y hacen parte del código del sistema en vez del código del usuario. Abstracción de programación: Se definen el grupo de APIs que esconden toda la complejidad de las operaciones de la WSN. Soporte de Ejecución: Es el encargado de la ejecución de los códigos del sistema de una forma óptima. Cumple con las siguientes funciones básicas: Comunicación entre procesos (IPC), control de memoria y administración de la energía, las cuales permiten la implementación de los niveles más altos de los servicios del middleware, como por ejemplo el procesamiento multihilo, planificación de tareas, sincronización del acceso a la memoria y la administración para la difusión del espectro de la señal. 74 FEI, Hu. XIAOJUN, Cao. Wireless Sensor Networks, Principles and Practice. En: Taylor y Francis Group p 68 Mecanismos de calidad del servicio (QoS): Define las métricas de rendimiento de las aplicaciones, como por ejemplo, la resolución de datos, velocidad de procesamiento y los retardos permitidos en la red. En este capítulo se presenta el middleware construido para este proyecto ARQUITECTURA DEL SISTEMA La arquitectura del sistema se presenta en la figura 12. Para dicha arquitectura, la capa del middleware es el mediador entre la aplicación y el sistema operativo que se ejecuta sobre los nodos (de 32 bits, como se explicó en el capítulo 3), y que sirve de base para la ejecución de las aplicaciones monitoreo, control y actuación, siendo indiferente la ubicación de dichos dispositivos en la WSAN. Figura 12. Arquitectura del sistema 5.2. REQUERIMIENTOS FUNCIONALES FRQ 001: Publicar datos: El sistema debe permitir a los nodos publicar la información relacionada con las magnitudes de las variables monitoreadas. FRQ 002: Suscribirse a datos: El sistema debe permitir a los nodos suscribirse a la información relacionada con las variables de su interés. 6869 FRQ 003: Contratar comunicación: El sistema debe permitir la asociación de los nodos publicadores y suscriptores (de su variable de interés) teniendo en cuenta los parámetros de calidad de servicios de cada uno de ellos. FRQ - 004: Verificar calidad de servicio (QoS): El sistema debe permitir verificar si se da cumplimiento a los requisitos de calidad de servicio al momento de ejecutar las tareas de la aplicación. FRQ 005: Generar alarmas: El sistema debe permitir generar alarmas en caso de que se presente alguna situación que se deba controlar. FRQ 006: Reconfigurar sistema: El sistema debe permitir reconfigurarse de acuerdo a las necesidades de cada aplicación DEFINICIÓN DE ACTORES Según Zigbee Specification 75, los actores en redes Zigbee son denominados nodos, sin embargo, existen 3 tipos de nodos que realizan actividades distintas en dichas redes, estos son: Coordinador: Por cada red Zigbee solo puede existir un coordinador, este tipo de nodo es el encargado de iniciar dicha red y distribuir las claves de cifrado, así mismo, puede almacenar información sobre la red y actuar como director de la misma. Router: Este tipo de nodo actúa como enrutador, interconectando otros nodos separados en la topología de red, así mismo, ofrece un nivel de aplicación para la ejecución de código de usuario. End Device: Este tipo de nodo es habitualmente el más barato de la red Zigbee, puesto que tiene requerimientos mínimos de memoria y puede estar dormido la mayor parte del tiempo, aumentando la vida media de sus baterías. 75 Zigbee Specification, Op. cit., p70 Tiene como limitante el no poder transmitir información de manera directa a otros end devices, por ende, debe comunicarse a través de su nodo padre (coordinador o router). Adicionalmente, para el sistema desarrollado en este documento se ha definido como actor al middleware, el cual se encarga de reconfigurar el sistema y contratar la comunicación entre los nodos publicadores y nodos suscriptores (cualquiera de los tipos de nodos mencionados anteriormente, podrán publicar o suscribirse a las variables monitoreadas en las aplicaciones) CASOS DE USO Figura 13. Diagrama de casos de uso del sistema <<include>> Publicación Solicitud de publicación <<include>> Contratar comunicación Nodo Verificación de planificabilidad <<include>> <<include>> <<include>> Middleware <<include>> Suscripción Solicitud de suscripción Reconfiguración del sistema Cuando un nodo desea publicar o suscribirse a una variable, ejecuta la solicitud de publicación/suscripción al middleware, el cual verifica que el sistema sea panificable (ejecutando el test de planificabilidad), incluyendo las tareas (publicación/suscripción) que están haciendo la solicitud de ejecución y las tareas que se están ejecutando sobre el planificador, de ser así, reconfigura el sistema y permite la ejecución de dichas tareas sobre el planificador de tareas, en caso contrario, continua ejecutando las tareas que ya se encontraban implementadas en el planificador. Una vez se ha hecho la reconfiguración del sistema, se genera el contrato de comunicación entre el publicador y el suscriptor, y se da inicio al proceso de comunicación. 7071 5.5. ARQUITECTURA PROPUESTA PARA LA CREACIÓN DEL MIDDLEWARE De acuerdo al cuadro 3 (Capítulo 2), los Middleware que mejores condiciones ofrecen son: El middleware conducido por la aplicación y el middleware basado en componentes. El middleware conducido por la aplicación tiene como inconveniente el ser implementado para aplicaciones específicas, mientras que el middleware basado en componentes no depende de aplicaciones específicas, permitiendo hacer implementaciones en diversos contextos de aplicación para WSAN, es por esto, que el tipo de middleware que se implementó es el middleware basado en componentes. La especificación que se usó como base para la comunicación de los componentes del sistema distribuido es el servicio de distribución de datos (DDS), puesto que de acuerdo al cuadro 4 (Capítulo 2), es la especificación que permite cumplir con los requisitos de tiempo real de las aplicaciones analizadas en este trabajo (industriales y de salud), así mismo, permite la implementación del middleware por medio de adquisición de datos y facilita las políticas de calidad de servicio propuestas por DDS, las cuales se presentaron en el capítulo 2. La lógica de base que se utilizó (DDS) para la comunicación entre componentes se basa en el modelo publicación-suscripción, en esta, el servicio de comunicación es modelado por medio de Tópicos (Topic), Publicadores (Publisher), suscriptores (subscriber), Escritores (Data Writer) y Lectores (Data Reader), su descripción es la siguiente (Chávez M, 2010): Publisher: Es un contenedor para agrupar a los escritores y es responsable de diseminar la información. Data Writer: Acceso para escribir un tipo de dato (typed) sobre un Tópico particular. Los escritores son los puntos de acceso para que una aplicación publique datos en un dominio del Middleware DDS. Subscriber: Es encargado de agrupar a los lectores y responsable de recibir información. Data Reader: Acceso para leer tipos de datos relativos a un Tópico especifico. Un lector es el punto de acceso para que una aplicación reciba datos desde un suscriptor. 7172 Topic: Se usa para asociar suscriptores con publicadores. Los Data Writer del publicador se enlazan (al crearlos) a un único Tópico. Los Data Reader del suscriptor se enlazan (al crearlos) a uno o más tópicos. Si los tópicos no se vinculan simplemente no habrá comunicación. Políticas QoS: Las políticas de QoS que fueron implementadas en el middleware están relacionadas con los aspectos temporales. Para el middleware es indispensable tener un componente asociado a la calidad de servicio que garantice el cumplimiento de plazos. Como se puede observar en el cuadro 4, uno de los parámetros de calidad de servicio que permite implementar el manejo de prioridades es LatencyBudgetQoSPolicy, dicho cumplimiento de plazos es un punto crítico a la hora de cumplir con las restricciones de tiempo real, según menciona Virmadi 76, así mismo, en la descripción de los parámetros de calidad de servicio de DDS presentados anteriormente, se hace notable la necesidad de implementar el parámetro llamado DeadLineQoSPolicy, puesto que este provee el mecanismo por el cual se actualizan los valores de los datos de forma periódica. De acuerdo a las decisiones de diseño tomadas, la arquitectura del middleware se presenta en la figura VIRMANI, D. SATBIR, J. Real Time Scheduling for Wireless Sensor Networks. En: IEEE. Delhi, India. Enero de p 73 Figura 14. Arquitectura del Middleware La figura 15 presenta la lógica de comunicación diseñada para el middleware, en dicha figura se muestra la manera en la cual los publicadores y suscriptores interactúan para llevar a cabo el proceso de comunicación. El middleware es el encargado de coordinar el proceso de comunicación a través de los tópicos, los publicadores tienen acceso para escribir los datos por medio de los DataWriter, mientras que los suscriptores pueden leer esos datos por medio de los DataReader, ambos lo hacen a través de cada tópico, es decir, en cada tópico se publica un dato específico, así mismo, cada tópico constituye el punto de conexión basada en los parámetros de calidad de servicio que requieren publicadores y suscriptores. Figura 15. Lógica de comunicación en el middleware 7374 5.6. DIAGRAMA DE CLASES DEL MIDDLEWARE El diagrama de clases del middleware se presenta en el Anexo A de manera completa (con atributos y métodos). La figura 16 muestra el diagrama de clases del middleware de manera general. Figura 16. Diagrama de clases del middleware General La descripción de cada una de las clases del diagrama de clases es la siguiente: Domain Participant: Contiene el conjunto de tópicos que se han creado para la aplicación. Publisher: Es un contenedor para agrupar a los escritores (Data Writer) y es responsable de diseminar la información. 7475 Data Writer: Acceso para escribir un tipo de dato sobre un Tópico particular. Los escritores son los puntos de acceso para que una aplicación publique datos. Subscriber: Es encargado de agrupar a los lectores (Data Reader) y responsable de recibir información. Data Reader: Acceso para leer tipos de datos relativos a un Tópico especifico. Un lector es el punto de acceso para que una aplicación reciba datos desde un suscriptor. Topic: Se usa para asociar suscriptores con publicadores. Los Data Writer del publicador se enlazan (al crearlos) a un único Tópico (Topic). Los Data Reader del suscriptor se enlazan (al crearlos) a uno o más tópicos (Topics). Si los tópicos no se vinculan simplemente no habrá comunicación. QoS Policy: Agrupa las políticas de calidad de servicio que fueron creadas para el middleware. LatencyBudget: Entrega la latencia calculada por el test de planificabilidad. DeadLine: Entrega el deadline calculado por el test de planificabilidad. Entity: Entrega la respuesta de si el sistema es o no es planificable (la entrega por medio de QoSRespond). Listener: Permite enlazar tópicos con los lectores (Data Reader) y los escritores de datos (Data Writer). Data: Estandariza la entrega de las variables (tipo de dato, nombre de variable, magnitud). Local/Remote Communicator: habilita y deshabilita la comunicación a través de un tópico 7576 Local/Remote Recruiter: Contienen las políticas de calidad de servicio relacionadas con las tareas que se ejecutan en la aplicación, así mismo, reciben la notificación enviada desde la componente de Calidad de Servicio para iniciar el proceso de comunicación con unos parámetros de QoS definidos DIAGRAMAS DE SECUENCIA Proceso de contratación y comunicación de tareas: En la figura 17 se presenta el proceso de contratación y comunicación de tareas que se genera en el middleware, en él se muestran 2 nodos (establecidos como local y remoto, por ende, habrá un contratador y un comunicador en el middleware local y en el remoto, refiriéndose a nodos distribuidos en la WSAN) que comparten mensajes con el fin de establecer una vinculación que les permita suscribirse y/o publicar la información asociada a las variables de interés de cada uno de ellos, una vez el middleware verifica concordancia en los parámetros de calidad de servicio requeridos por los dos dispositivos (o las tareas que se ejecutan en dichos dispositivos), se establece la comunicación entre estos. 7677 Figura 17. Proceso de contratación y comunicación de tareas Contratador Remoto Comunicador Remoto Comunicador Local Contratador Local Lost Message In Middleware Local 1 : Envía Broadcast() 2 : Envía Broadcast() 3 : Lee variables de interés() 4 : Lee variables de interés() 5 : Solicitud de vinculación 6 : Verifica QoS() sd QoS True 8 : Solicitud de vinculación 7 : Solicitud de vinculación 9 : Solicitud de vinculación sd Vinculación True 10 : Acepta Vinculación 11 : Publica el dato() 12 : Lee el dato() 13 : Lee el dato() sd Frame1 14 : Deniega la vinculación 15 : Mensaje de negación de vinculación 16 : Mensaje de negación de vinculación 17 : Mensaje de negación de vinculación sd QoS False 18 : Deniega la vinculación Proceso de publicación de datos: La figura 18 presenta el proceso de publicación de magnitudes de variables. En dicha figura, el publicador genera una solicitud de publicación (al contratador local) que contiene una variable específica, el contratador añade los parámetros de calidad de servicio que requiere para comunicarse de manera adecuada, el middleware recibe el mensaje y envía un broadcast del mismo para encontrar suscriptores interesados en dicha variable. 7778 Figura 18. Proceso de publicación de magnitudes de variables Proceso de suscripción de datos: La figura 19 muestra el proceso de suscripción de datos, el suscriptor verifica que la variable que llega en el mensaje de broadcast enviado desde otro dispositivo (enunciado como middleware remoto en este ejemplo) sea de su interés, de ser así, solicita la vinculación al middleware local (del dispositivo interesado en dicha variable), el cual verifica el cumplimiento de los parámetros de calidad de servicio que le puede proveer el publicador (o nodo que ha enviado el mensaje de broadcast), en caso tal de contener los parámetros de calidad de servicio adecuados, inicia el proceso de recepción del dato de interés. 7879 Figura 19. Proceso de suscripción de datos Lost Message In Middleware Remoto Middleware Remoto Middleware Local : Listener : DataReader : Subscriber 1 : Broadcast Publicaciones 2 : Broadcast Publicaciones() 3 : Lee las variables de interés() 4 : Lee las variables de interés() 5 : Lee las variables de interés() 6 : Solicitud de vinculación() 7 : Verifica QoS() sd QoS 8 : Solicita la vinculación a la publicación() sd TRUE sd Vinculación sd TRUE 9 : Publica el dato() 10 : Escucha el dato 11 : Lee el dato() 12 : Lee el dato() sd FALSE 13 : Deniega la Vinculación 14 : Espera nuevo dato() sd FALSE 15 : Deniega la vinculación 16 : Deniega la vinculación 17 : Deniega la vinculación() 7980 5.8. INTERFACES DEL MIDDLEWARE El middleware provee interfaces genéricas para crear, suscribirse y publicar información en algún tópico, así mismo, provee una interfaz para comunicar la respuesta relacionada con el cumplimiento de plazos (respuesta binaria), dichas interfaces son transparentes para los desarrolladores puesto que son provistas directamente por la aplicación. Las interfaces han sido creadas en lenguaje c. En la figura 20 se presenta la interfaz Listener, la cual permite enlazar los tópicos con los escritores de datos (DataWriter) y los lectores de datos (DataReader), esto con el fin de que la componente de servicios del sistema asocie a los publicadores con los suscriptores a través de un tópico. Figura 20. Interfaz Listener <<Interface>> Listener SubscriberListener DataReaderListener DataWriterListener TopicListener +on_data_on_readers() +request_incompatible_qos() +on_data_available() +on_subscription_matched() +on_sample_lost() +on_offered_deadline_missed() +on_publication_matched() +on_inconsistent_topic() Figura 21. Interfaz DataType <<Interface>> VarDataType VarDataTypeSupport +get_vartype_name() En la figura 21 se presenta la interfaz VarDataType, por medio de esta se envía el tipo de variable que se desea comunicar. 8081 Figura 22. Interfaz QoSRespond <<Interface>> QoSRespond binqosrespond +on_deadline_ok() +on_deadline_error() La interfaz QoSRespond permite comunicar la componente de calidad de servicio con las componentes de soporte de ejecución y servicios del sistema. En el caso de la comunicación generada con la componente de servicios del sistema, dicha interfaz entrega la respuesta del cumplimiento o incumplimiento del deadline, lo que permite establecer si se puede crear un tópico con los parámetros de calidad de servicio que se están estableciendo para comunicadores y suscriptores. En el caso de la comunicación con la componente de calidad de servicio, esta interfaz permite comunicar la respuesta de si se deben o no implementar las tareas sobre el planificador de tareas. Ya que en los NCS (network control system) es indispensable comunicar a los nodos (dispositivos físicos) que ejecutan las tareas de medición, control y actuación para cumplir con los requisitos de las aplicaciones abordadas en este trabajo (industriales y de salud), la lógica de comunicación basada en el modelo publicación-suscripción fue implementada a través de las siguientes componentes COMPONENTES DEL MIDDLEWARE La labor que ejecuta cada una de las componentes del middleware es la siguiente. Componente de calidad de servicio: Compuesta por las políticas de calidad de servicio DeadlineQoSPolicy y LatencyBudgetQosPolicy. Implementa el test de planificabilidad que permite garantizar el cumplimiento de los plazos que tiene el sistema para ejecutar las tareas (Deadline). Las decisiones de diseño relacionadas con dicho cálculo de los plazos mencionados, fueron presentadas en el capítulo 4 de este documento. 8182 Componente de abstracción de programación: Esta componente contiene las diferentes librerías para ocultar la complejidad en las operaciones de la red inalámbrica de sensores y actuadores Componente de servicios del sistema: Esta componente contiene la implementación de las abstracciones de programación que posee el middleware, las cuales facilitan el intercambio de información. Componente de soporte de ejecución: Esta componente es fundamental a la hora de efectuar la reconfiguración del sistema, puesto que permite ejecutar las tareas sobre el planificador de tareas, para esto se basa en la información suministrada por la componente de calidad de servicio. Si el entorno cambia y la aplicación requiere de la ejecución de nuevas tareas para implementar acciones (diagnóstico, alertas, control, etc) sobre dicho entorno, la componente de calidad de servicio ejecuta el test de planificabilidad, en caso de que el sistema sea planificable, entrega dicha información a la componente de soporte de ejecución para que esta implemente las nuevas tareas sobre el planificador, en caso contrario, no se implementan nuevas tareas, sino que el planificador sigue ejecutando las tareas que tenía en ejecución. Las componentes desarrolladas para el middleware junto con las interfaces asociadas a estas se presentan en la figura 23: Figura 23. Diagrama de componentes del Middleware <<component>> Abstracción de Programación <<interface>> Listener <<component>> Servicios del Sistema <<interface>> VarDataType <<component>> Soporte de Ejecución <<interface>> QoSRespond <<component>> Calidad de Servicio 8283 5.10. IMPLEMENTACIÓN DE COMPONENTES Componente de calidad de servicio: Las estructuras de datos asociadas a las políticas de calidad de servicio implementadas en esta componente fueron las siguientes: typedef struct { Duration _ t period; } DeadlineQoSPolicy; typedef struct { Duration _ t duration; } LatencyBudgetQoSPolicy ; Una vez inicia el funcionamiento de esta componente, se ejecuta el test de planificabilidad, el cual devuelve como valores Duration _ t period para DeadLineQoSPolicy y Duration _ t period para LatencyBudgetQoSPolicy, permitiendo que se determine si se cumple o no con los parámetros de calidad de servicio propuestos para el middleware. Componente de abstracción de programación: En esta componente se desarrollaron las siguientes librerías: o Alertas.h: Contiene los eventos relacionados con las alertas que se activarán en los diversos casos que requieran algún tipo de advertencia. o ComunicadorPublicador.h: Contiene el evento que da inicio a la acción de comunicación y publicación del middleware (Activa los escritores de datos). o ComunicadorSuscriptor: Contiene el evento que permite recibir los datos enviados por el ComunicadorPublicador (Activa los lectores de datos). o ContratadorPublicador: Contiene el evento que asegura el envío de las variables adecuadas al nodo adecuado, puesto que presenta los parámetros de 8384 calidad de servicio con los que se publicará dicha variable para ser asociada a un tópico. o ContratadorSuscriptor: Contiene el evento que asegura recibir las variables adecuadas que sean enviadas desde otros nodos, puesto que contiene los parámetros de calidad de servicio con los cuales se recibirá una variable. Componente de servicios del sistema: Esta componente contiene estructuras de datos que facilitan el intercambio de información, a continuación se presentan algunas de las estructuras desarrolladas: La primera estructura fue definida para llevar a cabo el inicio de contratación de alguna variable. typedef struct { ZLongAddr_t rmacaddr; uint16 solicitud; }solicitud; La segunda estructura de datos fue definida para especificar la variable que se desea contratar. Esta estructura de datos permite hacer uso de la interfaz VarDataType para obtener el tipo de variable que se va a transmitir a través de un tópico. typedef struct{ ZLongAddr_t rmacaddr; uint16 var1;.. uint16 varn; }variable; La tercera estructura de datos se definió para publicar las variables que han sido solicitadas por un dispositivo específico. typedef struct { 8485 .. ZLongAddr_t rmacaddr; uint16 shortaddress; uint8 prioridad; uint8 variable1; uint8 variable n; }escritorvariables; Componente de soporte de ejecución: Esta componente recibe la respuesta binaria de la componente de calidad de servicio por medio de la interfaz QoSRespond, en caso de que se cumpla con los parámetros de calidad de servicio, reconfigura el sistema, implementando las nuevas tareas sobre el planificador que contiene el nodo de la red zigbee sobre el que se ejecutarán dichas tareas. 8586 6. PRUEBAS EXPERIMENTALES En este capítulo se presentan los resultados de las pruebas experimentales realizadas utilizando los componentes desarrollados. En el caso de estudio 1 se presenta el monitoreo de variables ambientales en espacios hospitalarios, por motivo de confidencialidad no se especifica el nombre de la institución en la que se realizaron las pruebas. Debido a que no fue aprobado el proceso de control de las variables en el quirófano que fue objeto de las pruebas, se planteó el caso de estudio 2, en el cual se presenta el control de velocidad de un motor DC, permitiendo analizar el correcto funcionamiento del middleware teniendo en cuenta el cumplimiento de restricciones de tiempo real, las actuales implementaciones permiten extrapolar los resultados obtenidos en este caso de estudio al control de variables ambientales en espacios hospitalarios, puesto que los requisitos de tiempo real de las aplicaciones industriales son más exigentes que los de las aplicaciones de salud, tal y como se presentó en el capítulo 2 al describir los requisitos de dichos contextos de aplicación CASO DE ESTUDIO 1: MONITOREO DE VARIABLES AMBIENTALES EN ESPACIOS HOSPITALARIOS Según Martínez 77, para garantizar que la instrumentación biomédica funcione dentro de ciertos rangos, evitar explosiones por la acumulación de gases anestésicos y evitar contaminaciones e infecciones intrahospitalarias como consecuencia de la proliferación de virus, se requiere de un monitoreo constante y un control adecuado de variables ambientales dentro de los entornos hospitalarios. De acuerdo a lo anteriormente mencionado, se hace necesario conocer si las variables de temperatura y humedad relativa dentro de los espacios médicos cumplen con la reglamentación presentada en la norma 4445 del ministerio de salud de la república de Colombia, por ende, es imperativo conocer las características de dicha normatividad, así como también, monitorear estas variables dentro de dichos espacios Condiciones sanitarias en establecimientos hospitalarios: Para llevar a cabo el monitoreo y control de variables ambientales en entornos hospitalarios es 77 MARTÍNEZ, Op. cit., p 87 necesario conocer la normatividad existente para mantener las condiciones de asepsia y evitar la propagación de virus y bacterias que perjudiquen de alguna manera a los pacientes de dichas instituciones, es por esto, que Gracia 78 menciona que se debe tener en cuenta las normas referentes a las condiciones sanitarias de los establecimientos hospitalarios y similares a nivel internacional, dichas normas incluyen los rangos de las magnitudes asociadas a las variables ambientales dentro de los establecimientos de salud. De acuerdo a esto, en los cuadros Cuadro 9 y Cuadro 10 se presentan los valores mínimos y máximos de temperatura y humedad, según la norma UNE y ASHRAE 80 Cuadro 9. Aspectos ambientales en entornos médicos según la norma UNE. Cuadro 10. Aspectos ambientales en entornos médicos según ASHRAE. En el cuadro 11 se presentan los lineamientos asociados a la temperatura y humedad relativa de la norma NFPA99 81, la cual es utilizada por diversos centros médicos en Colombia. 78 GRACIA, F. MUÑÓZ A. Ventilación general en hospitales. Instituto Nacional de Seguridad e Higiene en el trabajo. En: IEEE. Barcelona España p ESTADOS UNIDOS DE AMÉRICA, LEYES, DECRETOS, ETC. Norma UNE Instalaciones de acondicionamiento de aire en hospitales p ESTADOS UNIDOS DE AMÉRICA, LEYES, DECRETOS, ETC. Norma ASHRAE. HVAC, para hospitals y clínicas. Sociedad Americana de Ingenieros de Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado Atlanta p ESTADOS UNIDOS DE AMÉRICA, LEYES, DECRETOS, ETC. Norma NFPA99. HEALTH CARE FACILITIES. EDICIÓN p88 Cuadro 11. Aspectos ambientales en entornos médicos según la norma NFPA 99. Adicionalmente, las instituciones de salud Colombianas se deben regir por las condiciones sanitarias de los establecimientos hospitalarios y similares de la resolución número del Ministerio de Salud de la República de Colombia, la cual presenta en el artículo 34, De los servicios quirúrjico-obstetrícios, los requisitos que se deben cumplir en dichos servicios, entre ellos, que la temperatura debe ser de 21 grados centígrados y la humedad relativa del 50%. Se determinó que el sensado de estas dos variables se realice por medio del sensor SHT71 de Sensirion; este sensor cuenta con las siguientes características: Rango de Trabajo: Temperatura -40ºC a 123,8ºC Humedad Relativa 0% a 100% Precisión: Temperatura +/- 0.3ºC Humedad Relativa 1.8% En caso tal de que los datos adquiridos por el sensor entreguen una medida que se encuentre por fuera de los rangos establecidos en la norma mencionada, el componente de abstracción de programación del middleware activará las alarmas correspondientes a dicha violación a la norma, dichas alarmas podrán observarse por medio del display con el que cuentan los nodos Área de interés de la aplicación: El quirófano monitoreado es utilizado para procedimientos que van desde nivel 1 hasta nivel 4 (por ejemplo, cirugía cardiovascular y neurocirugía) de acuerdo al nivel de atención presentado por la 82 COLOMBIA, LEYES, DECRETOS, ETC. Condiciones sanitarias en establecimientos hospitalarios y similares. Resolución p89 Sociedad Americana de Anestesia 83 siguientes dimensiones (Ver figura 24): (ASA); dicho quirófano cuenta con las Figura 24. Dimensiones del quirófano monitoreado. Todas las medidas estipuladas en la figura 24 están en metros. El área total de sensado es: Área total = 38 m Implementación del caso de estudio 1: Para obtener una mayor precisión a la hora de determinar la temperatura y la humedad relativa en la totalidad del quirófano, se utilizaron 5 nodos distribuidos dentro de este, de los cuales 4 de ellos son nodos sensores o medidores (ED, equipados con el sensor SHT71) y uno de ellos es un nodo enrutador (R, se encarga de enrutar los datos hasta el coordinador de la red), adicionalmente, se utilizó un coordinador de red (C) ubicado afuera del quirófano, el cual recolectó la información enviada desde los nodos sensores. Haciendo uso de una topología árbol para redes inalámbricas de sensores, la distribución de los nodos en el quirófano se hizo como se presenta en la Figura ASA. Sociedad Americana de Anestesia. [Consultado el 09 de Octubre de 2013]. Disponible en Internet: 8990 Figura 25. Distribución de los nodos para el caso de aplicación sobre el quirófano El diagrama descriptivo del caso planteado se presenta en la Figura 26, en dicha figura se muestra la forma en la cual se establece la comunicación entre publicadores y suscriptores a través del tópico relacionado con cada aplicación (diagnóstico o monitoreo), así mismo, se presentan los dispositivos asociados a los nodos que permitieron verificar el correcto funcionamiento de la aplicación. Figura 26. Diagrama descriptivo para el caso de estudio 1 90 91 Haciendo uso de la técnica de interpolación de Kriging, se obtuvo la varianza de temperatura y de humedad relativa en todos los puntos del quirófano, dicha varianza se presenta en las figuras 27 y 28 respectivamente. Figura 27. Estimación de temperatura en el quirófano Figura 28. Estimación de humedad relativa en el quirófano De acuerdo a la figura 27, el quirófano solo cumple con la temperatura requerida en la norma 4445 en el área demarcada con azul oscuro (área más cercana a la esclusa de aire acondicionado), así mismo, la humedad relativa en el quirófano (presentada en la Figura 28) no cumple con el artículo 34 de la norma 4445 en ninguno de los puntos del mismo, sin embargo, estaría dentro de los rangos establecidos por las normas UNE , ASHRAE, y NFPA92 En la figura 29 se presenta la generación de alarmas (ED4) ocasionada por el incumplimiento de las normas anteriormente mencionadas, los valores asociados a las variables humedad (H) y temperatura (T) están presentados en sistema hexadecimal: Figura 29. Alarmas Un fragmento de la trama de datos enviada por los dispositivos finales es presentado en la figura 30. En la trama de datos se puede observar que los último dos datos corresponden a la humedad (35) y temperatura (16), así mismo, el dato siguiente corresponde a la prioridad del dato (01), donde a la prioridad máxima se le asigna el valor de 00 (valor de temperatura o humedad muy alejado de la norma), la prioridad intermedia 01 (valor de temperatura o humedad por fuera de la norma en un valor cercano a lo que presenta esta), y la prioridad baja 02 (valor de temperatura y humedad cumpliendo con la norma). Adicionalmente, en la trama se presenta la dirección lógica del dispositivo que está enviando el mensaje (C1 AA) y la dirección física del mismo ( B E4 4E), esto permite que el middleware haga la comunicación entre los dispositivos asociados a un tópico sin importar la ubicación de los mismos en la red, finalmente, presenta el número de secuencia de la trama (41 14), lo cual es información entregada por el protocolo de comunicación. Figura 30. Fragmento de la trama enviada 6.2. CASO DE ESTUDIO 2: CONTROL DE VELOCIDAD DE UN MOTOR DC Como segundo caso de aplicación, se planteó el control de velocidad de un motor DC, en la figura 31 se presenta el diagrama descriptivo del caso mencionado, como se puede observar, el publicador escribe por medio del DataWriter la velocidad del motor DC en el tópico creado para este caso de estudio, de igual forma, el suscriptor recibe dicha valor de velocidad por medio del DataReader, el 9293 middleware creó el tópico teniendo en cuenta los parámetros de calidad de servicio que se mencionarán en la implementación del NCS de este caso de estudio. 9394 Figura 31. Diagrama descriptivo del segundo caso de aplicación Análisis del NCS: En la mayoría de los trabajos realizados en NCS se analiza el desempeño del sistema considerando únicamente la estabilidad del lazo cerrado, y aunque éste es un requisito básico, en muchos casos prácticos los criterios de desempeño deseados en los sistemas de control se especifican en términos de la respuesta transitoria del sistema frente a una entrada específica. Por tal razón en este trabajo se tomó como base el método presentado por Martínez 84 para analizar el efecto que genera el retraso sobre la respuesta transitoria del sistema, teniendo en cuenta las siguientes suposiciones: Sistema de control SISO (Single Input Single Output). El retraso presente entre los instantes en que se realiza la medición y la actuación, r, es menor o igual a un periodo de muestreo, T S Procedimiento de diseño para minimizar el consumo de potencia y los retrasos en WSAN. En: Revista Iberoamericana de Automática e Informática Industrial RIAI. Julio de Vol. 7, Núm. 3. p95 La tarea de Medición es activada de forma periódica cada T S. Mientras que las tareas de Control y Actuación se activan por eventos. La función de transferencia en lazo cerrado del sistema entre dos periodos de muestreo consecutivos es: H ( Z, m) Gc Gp Ecuación 1 ' ( Z ) ( Z, m) ' 1 Gc( Z ) Gp ( Z, m) ' Donde para un sistema de primer orden Gp ( Z, m) es: mts r ' K e ( z 1) Gp Z m 1 Ecuación 2 (, ) Ts Z r z e Simulación del NCS: Para el caso de estudio se utilizó un sistema Quanser Engineering Trainer DC Motor Control, el cual está compuesto de un amplificador, un motor DC y un tacogenerador. A este sistema se le realizó una identificación aproximándolo a un modelo de primer orden ( ) s 1, luego utilizando la ecuación 2 se obtiene, Gp S Gp mts e 1 Z z e ( z ' ) ( Z, m) Ts Ecuación 3 Con el fin de reducir el tiempo de asentamiento del sistema se utilizó un algoritmo PI de la forma, U ( z) k pz ( kits k p ) Ecuación 4 ( z) z 1 Con kp = y ki =96 En la figura 32 se presentan los resultados de simulación del sistema para T S 30ms y ms, los cuales se establecieron como requisitos para la implementación. r 1 Figura 32. Respuesta del sistema en lazo cerrado a una referencia tipo escalón, con T S 30ms y r 1ms - Simulación Implementación del NCS: Para la implementación de este caso se utilizaron 3 nodos, sus características son: Nodo medidor: Realiza la medición de la velocidad y la envía a través de UART. Se implementó por medio del Kit de desarrollo de Texas instruments Stellaris DK LM3S9D96, el cual ejecuta el sistema operativo en tiempo real denominado safertos, y hace uso de un planificador de tareas basado en prioridades fijas que maneja expropiación, y sobre este se ejecuta una tarea relacionada con la lectura del ADC. Nodo Coordinador de la red Zigbee: Implementado por medio del kit de desarrollo de Texas Instruments SmartRF 05 EB y equipado con un microcontrolador CC2530. Este dispositivo es el encargado de recibir por UART la información entregada por el nodo medidor, y enviar dicha información a través del protocolo Zigbee al dispositivo final. 9697 Nodo Controlador - Actuador: Implementado por medio del kit de desarrollo de Texas Instruments SmartRF 05 EB y equipado con un microcontrolador CC2530. La configuración hecha en cada uno de los nodos fue la siguiente: El nodo Medidor envía un mensaje con 8 bytes de payload cada T S, así mismo, activa el proceso de cálculo del tiempo de medición de la variable y envío de la trama de datos al nodo controlador - actuador. En el nodo Coordinador de la red Zigbee se genera una interrupción por cada mensaje recibido, así mismo, adjunta en una trama de datos su dirección física y lógica, la prioridad que le da a cada tipo de tarea, el dato que le ha sido entregado. Una vez creada la trama de datos, procede al envío del mensaje Zigbee. En el momento en que se obtenga el reconocimiento de llegada del mensaje al destino (ACK), desactiva el proceso de cálculo del tiempo de medición de la variable y envío de la trama de datos al nodo controlador actuador. El nodo Controlador Actuador es el encargado de recibir la medida de la variable controlada a través de la red Zigbee, calcula la acción de control y actúa sobre la variable manipulada. Por medio de este nodo, se obtiene el tiempo del cálculo y ejecución de la acción de control. Adicionalmente, cuenta con el middleware, el cual se encarga de gestionar la publicación y suscripción a las tareas que se están ejecutando en la aplicación, así mismo, implementa las políticas de calidad de servicio relacionadas con latencia y plazo máximo de ejecución de tareas, e independiza la capa de aplicación y de red. El periodo de envío de la medición es de 30ms. Cada trama envía 8 bytes de datos en un formato de trama estándar, luego el número de bits por trama es 125. En la figura 33 se presenta la respuesta del sistema implementado, la línea de color amarillo corresponde a la referencia del sistema (Ref) y se grafica por medio 9798 del canal 2 del osciloscopio, mientras que la línea de color azul corresponde a la salida del sistema (y) y se grafica por el canal 1 del mismo. Figura 33. Control de velocidad de motor DC En la figura 34 se presenta el montaje físico de la aplicación. Figura 34. Montaje físico del caso de estudio 2. Los parámetros de configuración de la red para este caso de estudio son: 9899 Tramas de igual tamaño, 125 bits. Velocidad de comunicación de 250 kbps. Número máximo de BE = 7 El periodo de envío de la medición es de 30 ms El tiempo de bloqueo Bi se considera 0, puesto que el procesador no tendrá que ejecutar tareas diferentes al cálculo y ejecución de la acción de control. Los tiempos de cómputo fueron calculados por medio del código de la aplicación. Los parámetros anteriormente mencionados fueron utilizados por el middleware desarrollado, el cual se encarga de verificar el cumplimiento de plazos y determinar si el sistema cumple con los parámetros de calidad de servicio propuestos en la aplicación. El funcionamiento del sistema se detalla a continuación: Desde la aplicación se ingresan los parámetros de configuración de la red (periodo de envío de medición, tipo y tamaño de trama, etc.) y se escribe la codificación relacionada con las alertas que van a ser utilizadas, las variables que se desean comunicar y las que se suscribirán, esto se hace por medio de las estructuras de datos presentadas en el sub ítem 5.2. El middleware toma la información suministrada desde la aplicación y verifica el cumplimiento de los parámetros de calidad de servicio, en caso de que cumpla o no con dichos parámetros, se emitirá una alerta que comunica el cumplimiento (QoS Ok) o incumplimiento de los mismos (DeadL error, Laten error). Si no se cumple con los parámetros de calidad de servicio, el planificador de tareas no permitirá que se ejecute la nueva tarea (Ver figura 37 y 38). Si el sistema cumple con los parámetros de calidad de servicio, se reconfigurará y se iniciará el proceso de contratación y suscripción, en el cual, se llevará a cabo la solicitud de variables y el envío de las mismas (por parte de cada nodo). 99100 El sistema permite también presentar mensajes relacionados con las acciones de control y el error existente entre la referencia (Ref) y la señal de salida del sistema (y) (Ver figura 37). En la figura 35, el flanco de subida indica que se dio inicio al proceso de medición de la velocidad del motor por parte del nodo medidor, el flanco de bajada indica que finalizó el proceso de envío y reconocimiento de la llegada de la trama al destino por parte del nodo coordinador. Figura 35. Tiempo de envío de la trama de medición Figura 36. Tiempo de cálculo y ejecución de la acción de control En la figura 36, el flanco de subida indica que inició el cálculo de la acción de control, el flanco de bajada indica que finalizó la ejecución de la acción de control. 100101 Teniendo en cuenta que el tiempo de monitoreo y envío de la trama de datos es de 3 ms, y el tiempo del cálculo y ejecución de la acción de control que es 22 us, el sistema cumple con el plazo establecido de 30 ms. La figura 38 presenta el mensaje generado por la aplicación cuando se da cumplimiento de plazos. Figura 37. Mensaje de cumplimiento de plazos Controlador Actuador Figura 38. Mensaje de cumplimiento de plazos - Coordinador En la figura 37 se presenta la información relacionada con 3 aspectos, el primero, denominado Error, indica el error existente entre la señal de referencia del sistema (Ref) y la señal de salida del mismo (y), el segundo u, indica el valor relacionado con la acción de control que se ejecuta sobre el motor, el tercero QoS Ok, indica el cumplimiento de los plazos establecidos por el sistema (aplica también para la figura 38). El cálculo teórico del tiempo máximo de ejecución de las tareas para el caso planteado, teniendo en cuenta el tiempo máximo de duración de los mensajes en la red, se basa en el análisis de planificabilidad presentado en el capítulo 4, dicho cálculo es el siguiente: 101102 Para la tarea de medición y envío del mensaje: r m n+1 = 2240 us Para la tarea del cálculo de la acción de control y la ejecución del mismo: rca n+1 = 620 us De acuerdo a los resultados experimentales obtenidos en las figuras 35 y 36, y el cálculo teórico realizado para el caso de estudio, se concluye que se da cumplimiento con el plazo propuesto para el lazo de control (30 ms). 102103 7. CONCLUSIONES Y TRABAJO A FUTURO 7.1. CONCLUSIONES Las problemáticas presentes actualmente en el desarrollo de aplicaciones de monitorización, diagnóstico y control para los sectores industriales y de salud, han motivado el desarrollo de las WSAN. El desarrollo de sistemas como el que se presenta en este trabajo, está fuertemente determinado por las restricciones impuestas por aplicaciones de monitoreo, control y actuación en espacios industriales y de salud. Los trabajos realizados hasta el momento se han orientado principalmente al planteamiento de arquitecturas de nodos y protocolos de comunicaciones. Sin embargo aún continúan abiertos diversos problemas relacionados principalmente con el soporte de los niveles de calidad de servicio de estas aplicaciones, la protección de la información y la optimización de los parámetros de mayor relevancia en las aplicaciones. La contribución principal de este trabajo consiste en el desarrollo de un middleware que actuando bajo una perspectiva distribuida para el control y monitorización de variables, es capaz de reconfigurarse para adaptarse a un entorno cambiante, posibilitando cumplir con las restricciones de tiempo real en WSAN. Como caso particular, se analizó la implementación de NCS. El middleware se soporta en una arquitectura propuesta para los nodos en la que se consideran los requisitos de las aplicaciones industriales y de salud, y permite verificar el cumplimiento de la planificabilidad extremo-extremo. Para obtener la anterior contribución se propuso un test de planificabilidad extremo-extremo para WSAN con requisitos de tiempo real soportadas en el protocolo Zigbee. Dicho test tiene en cuenta el tiempo máximo de reenvío de mensajes en el modo no ranurado de Zigbee, lo que posibilita el análisis y desarrollo de aplicaciones en las cuales se requiere calcular el peor caso de tiempo de finalización y que utilizan este protocolo para el intercambio de información. Los resultados obtenidos en los casos de estudio abordados permiten concluir que: 103104 La arquitectura de nodo presentada, el test de planificabilidad extremo-extremo propuesto, y el middleware desarrollado, permiten diseñar WSAN que cumplen con las restricciones de tiempo impuestas para aplicaciones de monitoreo y control en espacios industriales y de salud TRABAJO A FUTURO Ante las perspectivas de las aplicaciones, los resultados obtenidos y considerando los desafíos de investigación presentados en este trabajo, se pueden destacar dos líneas futuras de investigación: Optimizar el middleware para que permita la prestación de parámetros de calidad de servicio adicionales a los presentados en este trabajo, puesto que como se presentó en cuadro 3, hay algunos parámetros que complementarían el manejo de prioridades y el cumplimiento de requisitos de tiempo real en el middleware, tales como TransportPriorityQoSPolicy. Optimizar el middleware para la prestación de servicios de seguridad y de gestión de consumo de energía. 104105 BIBLIOGRAFÍA ALEMDAR, Hande. ERSOY, Cem. Wireless Sensor Network for Healthcare: A Survey. En: El Sevier. Octubre de Computer Networks 54. p. 19. ANASTASI, G. CONTI, M. DI FRANCESCO, M. A comprehensive analysis of the MAC unrealiability problem in IEEE wireless sensor networks. En: IEEE p. 12. ALRAHMAWY, Mohammed. Design Patterns and Component Framework for Building Real-Time Middleware. Departamento de Ciencias Computacionales. Universidad de York, Canadá. Septiembre de p. 32. Arduino DUE. Arduino [Consultado el 18 de Noviembre de 2014]. Disponible en internet: AUDSLEY, N. BURNS, A. RICHARDSON, M. TINDELL K. WELLINGS A.J. Applying New Scheduling Theory to Static Priority Pre-emptive Scheduling. En: Software Engineering Journal September p. 14. BARBARÁN, J. DIAZ, M. ESTEVE, I. GARRIDO, D. LLOPIS, L. RUBIO, B. 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 artículo 34
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