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Internet del Futuro: Middleware WSN-IP-WWW

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Internet del Futuro: Middleware WSN-IP-WWW
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  Internet del Futuro: MiddlewareWSN-IP-WWW como Soporte de AmbientesInteligentes Ben´ıtez Juan 1 , Gloza Gonzalo 3 , Sosa Eduardo 2 , and Godoy Diego 1 1 Centro de Investigaciones en Tecnolog´ıas de la Informaci´on y Comunicaciones(CITIC). Universidad Gast´on Dachary Av L´opez y Planes 6519, 3300 Posadas juan.benitez,diego.godoy@citic.ugd.edu.ar 2 Secretar´ıa de Investigaci´on y Posgrado (SECIP). Facultad de Ciencias Exactas,Qu´ımicas y Naturales, Universidad Nacional de MisionesF´elix de Azara 1552, 3300 Posadas es@fceqyn.unam.edu.ar 3 ggloza@gmail.com Resumen  La Internet del Futuro y dentro de ella los Ambiente inteli-gentes abarcan tecnolog´ıas sumamente complejas, las cuales necesitan deinteracci´on de manera totalmente trasparente del usuario con las redesde sistemas computacionales. En las WSN encontramos una de esas tec-nolog´ıas ya que una de sus principales caracter´ısticas es la reducci´on deltama˜no de los dispositivos o nodos sensores, para as´ı lograr una dismi-nuci´on de los costos y poder desplegarlos en cualquier lugar con facilidadde forma invisible. Debido a esto, cada nodo tiende a tener ´unicamen-te el hardware estrictamente necesario para realizar de manera efectivala tarea que se le ha encomendado. Sin embargo existen situaciones enque la conectividad que poseen los nodos sensores de una WSN (datac´entricas) no son compatibles con las redes existentes tradicionales comoEthernet e IPV4 (nodo c´entricas), por lo que se requiere un elementocapaz de realizar las interacciones necesarias de interconexi´on entre es-tas redes, para as´ı lograr una homogeneizaci´on de los datos que fluyenpor ellas y hacerlos accesibles por ejemplo a trav´es de internet. En estetrabajo se presenta un prototipo de dispositivo capaz de interactuar co-mo middleware WSN-IP-WWW para la integraci´on de redes de sensoresinal´ambricos con la Web. Keywords:  Nodos Sensores, Internet, WSN, Middleware. 1. Introducci´on El ´ambito de las redes de sensores y actuadores inal´ambricos est´a en sus primeras etapas, con lo cual muchos aspectos se encuentran actualmente en fasede desarrollo temprano e investigaci´on. Estos desarrollos son el campo aplicativoideal de soluciones middleware.La Internet del Futuro y dentro de ella los Ambiente inteligentes abarcantecnolog´ıas sumamente complejas, las cuales necesitan de interacci´on de manera  totalmente trasparente del usuario con los las redes de sistemas computacionales[7,12]. Esto favorece la integraci´on de infraestructuras fijas, a nuevas tecnolog´ıasde “conectividad m´ovil”. Una Red de Sensores Inal´ambricos se conforma de dis-positivos integrados, incluyendo microprocesadores, radio, y sensores/actuadoresvarios. As´ı forman sistemas distribuidos proveyendo acceso ubicuo a la infor-maci´on, permiti´endonos participar activamente en la creaci´on de “ambientesinteligentes”[11]. El alcance y diversidad de las aplicaciones de WSN, los re-querimientos, dise˜nos y plataformas son virtualmente ilimitados[1]. Las WSNrepresentan la expansi´on de Internet actual al mundo f´ısico real.La realidad indica que los principales inconvenientes encontrados por lasWSN tienen que ver con las diferentes metodolog´ıas de programaci´on, comotambi´en con la heterogeneidad existente[6] tanto en hardware como en sistemasoperativos.Si la tendencia actual no declinara, los datos capturados por las WSN in-fluenciar´ıan el flujo de control de los procesos en tiempo real, e incluso podr´ıandisparar nuevos procesos. Para lograr este nivel de interacci´on, las WSNs debenrelacionarse, con el resto de las redes existentes como las redes Ethernet, lascuales hoy en d´ıa son las m´as utilizadas para el acceso a la WWW.El desarrollo alcanzado por tecnolog´ıas de fabricaci´on de circuitos integrados,tales como microcontroladores y dispositivos de l´ogica programable (FPGA), hanaumentado el uso de las aplicaciones con sistemas embebidos[5]. Las mismas sehan convertido en la soluci´on a gran n´umero de problemas que anteriormenterequer´ıan de una electr´onica mucho m´as compleja, de mayor tama˜no y mayor costo como por ejemplo una PC.El middleware aqu´ı implementado tiene como objetivo permitir la interacci´onentre las WSN y las redes IP. Considerando que la tendencia de los nodos de unaWSN es la miniaturizaci´on, se debe aceptarla necesidad de limitar el hardwareque puede llegar a contener cada nodo sensor, tanto por razones est´ericas, comonecesidad de bajos consumos de energ´ıa. De esta manera cada nodo contar´a ´uni-camente con el hardware estrictamente necesario para poder realizar de maneraefectiva la tarea que se le ha encomendado.Por lo anterior consideraremos la conectividad a) entre nodos y b) con otrasredes ya existentes (Ver Figura 1).El despliegue de una red de sensores en un determinado escenario tiende aser un proceso continuo, por ejemplo para reemplazar los nodos con bater´ıas onodos defectuosos que han sido objeto de las inclemencias ambientales.Debido a su elevado n´umero, los nodos deben operar sin supervisi´on despu´esde la implementaci´on. Esta tarea puede ser coordinada por una entidad externaconectada a la red de sensores, tales como un usuario con un PDA, un avi´on oalg´un dispositivo en Internet. Son concebibles asimismo redes aisladas, que est´anprogramadas para cumplir una tarea de detecci´on determinada, cuyo resultadoactuador controla nodos que son tambi´en parte de la red.La necesidad de conectividad entre los nodos permite transferir informaci´onentre nodos vecinos, como as´ı tambi´en nos permite realizar un encaminamien-  Figura1.  Conectividad en redes WSN to multi-salto de los paquetes de informaci´on, reduciendo as´ı, la potencia detransmisi´on de cada nodo y con ello el consumo energ´etico.Sin embargo estos datos brindados por la WSN son poco ´utiles a nivel deusuario y aplicaciones, si no podemos tener un acceso de forma sencilla a ellos,para lo que es necesaria la conectividad de las WSN hacia las redes existen-tes, tanto locales como Metropolitanas. Considerando las capacidades limitadasde hardware de los nodos, no es com´un encontrar nodos sensores, capaces derealizar los dos tipos de conectividad, inter-nodo y extra-nodo. Dentro de ellosencontramos a algunos con capacidad de manejo de paquetes IP[10].6LoWPAN[4] brinda un est´andar a las WSN con fragmentaci´on y compresi´on de las cabeceras de los paquetes IPv6 para ser transmitidos por 802.15.4. Estono les permite la conexi´on directa a las redes externas a la WSN, lo que hacenecesaria la utilizaci´on de una puerta de enlace capaz de direccionar los paquetesIPv6 de la WSN hacia el exterior. Si bien Existen variadas aplicaciones quebrindan la posibilidad de publicar y manejar los datos de una WSN, requierenen todos los casos de una infraestructura de hardware ajena a la WSN para elenv´ıo de datos[8], concluyendo con la necesidad de la utilizaci´on de una estaci´onde trabajo como ser una PC para poder publicar la informaci´on de la WSN.Para ciertas aplicaciones de las WSN, se torna necesario el concepto de contarcon un sistema aut´onomo remoto para recolectar datos y transmitirlos de maneratransparente al usuario, como por ejemplo el escenario de una WSN ubicada parael control de radiaciones peligrosas para un ser humano. 2. Arquitectura Propuesta Para el presente trabajo se ha planteado un prototipo de middleware WSN-IP-WWW para as´ı proveer una soluci´on a la necesidad de contar con una estaci´on  de trabajo para que la WSN pueda publicar los datos recogidos a trav´es de unap´agina web. En la Figura 2, se puede apreciar la arquitectura propuesta, dondese detalla la integraci´on del sistema middleware entre las redes WSN y las dem´asredes a trav´es del protocolo Ethernet. Figura2.  Arquitectura Middleware Propuesta Podemos considerar al sistema en cuatro partes fundamentales:Nodo central (Sumidero): es un nodo perteneciente a la WSN, el cual esresponsable de capturar todas las comunicaciones de la red, enviadas o con-sultadas por un usuario o aplicaci´on. Este nodo central recoge la informaci´onproveniente de los nodos de la WSN. El direccionamiento de los paquetes serealiza por medio de las direcciones f´ısicas de cada dispositivo (MAC). Condicha informaci´on de direccionamiento se determina desde que secci´on de laWSN fue recibido el paquete de datos, paquete que procesado por el midd-leware se encargara de extraer la informaci´on ´util y de empaquetarla dentrode una estructura de datos nueva para ser enviada hacia el servidor http.Servidor Web: es el encargado de lograr la interconexi´on entre la red WSNy la red IP mediante la implementaci´on de una pila de protocolos TCP/IP.Incorpora en s´ı mismo un servidor web embebido que permite visualizar elestado de la red WSN mediante un navegador. Es capaz de generar con-tenidos din´amicos a partir de la incorporaci´on de llamadas a funciones enlenguaje C desde el c´odigo de las p´aginas web.La comunicaci´on se ha estable- cido por medio de una conexi´on serial, protocolo RS-232, mediante tramaspropiamente definidasNodos finales: son nodos dentro de la red WSN que se comunican con pro-tocolo IEEE 802.15.4. Est´an equipados con distintos sensores (temperatura,humedad y presi´on). Cada nodo se comunica directa y ´unicamente al nodocentral. Estos nodos realizan una lectura peri´odica de sus variables a mediry env´ıan dicha informaci´on hacia el nodo sumidero.Usuarios y/o Aplicaciones: son los consumidores de toda la informaci´on queentrega el middleware.  3. Especificaciones e Implementaci´on 3.1. Red WSN El nodo gateway, como as´ı tambi´en los nodos finales de la WSN se han im-plementado utilizando la plataforma iSense[3](Figura 3), la cual cuenta con unprocesador JennicJN5139, un sistema radial de 2,4 GHz compatible con normasIEEE 802.15.4, con ancho de banda estimado de 250kbit/s, sistema de cripto-graf´ıa por hardware AES, capacidad de c´alculo de tiempo de vuelo (ToF) parac´alculo de distancias entre nodos, 192kB de ROM, 96kB of RAM, como unavariada posibilidad para la utilizaci´on de perif´ericos anal´ogicos y digitales. Figura3.  Nodo WSN implementado en el proyecto El escenario elegido ha sido aquel donde se determinaran valores de la vidareal como temperatura, humedad relativa y presi´on atmosf´erica.Adem´as de la plataforma iSense, cada nodo sensor incorpora un m´odu-lo“ambiental” capaz de realizar las mediciones de las variables antes mencio-nadas.Un atributo importante de este m´odulo es el reducido consumo de energ´ıa enestado de reposo (inferior a 1uA), prolongando as´ı la vida ´util del equipo. Lascaracter´ısticas se observan en el Cuadro 1. 3.2. Comunicaci´on RS-232 La comunicaci´on entre el nodo sumidero y el servidor web se establece porprotocolo RS-232, proveyendo un enlace bidireccional a ambos dispositivos parael intercambio de datos.El nodo sumidero con su funci´on de concentrador iden-tifica la informaci´on recibida por medio del enlace 802.15.4 y genera un paquetede datos con el siguiente formato(Figura 4).
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