Arquitectura de nodo inteligente para redes de sensores inalámbricas y escalables: aplicaciones en monitorización ambiental

El desarrollo de esta Tesis se orienta al diseño de una plataforma (Framework) que de soporte a las arquitecturas de nodos de sensores inalámbricos, permitiendo su integración en una red inalámbrica.CONACYT – Consejo Nacional de Ciencia y Tecnologí

Arquitectura de nodo inteligente para redes de sensores inalámbricas y escalables: aplicaciones en monitorización ambiental

Las redes de sensores son actualmente una de las tecnologías emergentes de mayor progreso e interés, en particular aquellas que emplean sistemas de comunicación inalámbricas. La integración de estas redes a las infraestructuras y a diversos entornos asociados a una red inalámbrica de comunicación ha transformado drásticamente la forma en que los datos del entorno son adquiridos y procesados. Actualmente las redes de sensores son consideradas como uno los pilares principales en una nueva forma de percibir e interactuar con el mundo que nos rodea, proporcionando beneficios a la sociedad y mejorando la productividad de las industrias. El desafío planteado por la integración de nodos heterogéneos y diversas interfaces en una red de sensores, ha conducido al desarrollo de algunos estándares internacionales como el ISO/IEC/IEEE 21451-x. La característica principal que plantean estos estándares es la escalabilidad de la red desde el punto de vista de la heterogeneidad de los nodos y una capacidad ¿plug-and-play¿. Con la estandarización, se pretende abordar el problema de la gran diversidad de interfaces presentes en el mercado, a fin de determinar la mejor forma de interconexión entre redes de sensores heterogéneos. Sin embargo, la implementación del estándar ISO/IEC/IEEE 21451-x es complicada y no contempla las limitaciones en capacidad de los nodos, tales como bajo consumo de energía, capacidad de memoria y capacidad de procesamiento. Además, el estándar no contempla las arquitecturas reconfigurables, las cuales pueden ser muy útiles dada la diversidad de posibles aplicaciones de las redes de sensores inalámbricas. Es necesario, por lo tanto, consolidar el uso de un Framework para las arquitecturas de nodos sensoriales inalámbricas que contemple además de la heterogeneidad de los transductores, la inclusión de arquitecturas reconfigurables en los nodos sensores. El desarrollo de esta Tesis se orienta al diseño de una plataforma (Framework) que de soporte a las arquitecturas de nodos de sensores inalámbricos, facilitando su integración en una red inalámbrica. El trabajo de investigación consta de dos partes primordiales. La primera parte se centra en la definición del Framework basado en el estándar internacional ISO/IEC/IEEE 21451-x y en su utilización en diversas aplicaciones. La segunda parte plantea la utilización de arquitecturas reconfigurables en nodos de sensores inalámbricos, planteándose como aporte la modificación del datasheet electrónico definido en el estándar ISO/IEC/IEEE 214510 como una herramienta novedosa que estandariza el proceso de reconfiguración de cualquier nodo en una red de sensores inalámbricas. Como resultados de esta Tesis podemos indicar que: - Se ha propuesto un Framework para arquitecturas escalables de nodos en redes inalámbricas, basado en el estándar ISO/IEC/IEEE 214510. Este Framework plantea la integración del sensor inteligente, definido por la familia de estándares ISO/IEC/IEEE 21451-x, y sistema operativo para redes de sensores inalámbricas llamado TinyOS. La finalidad del Framework propuesto es incrementar la escalabilidad y la ubiquidad de los nodos, permitiendo el uso de sensores e interfaces heterogéneas en la red. El funcionamiento e interés de este Framework se ha probado en un sistema de monitorización de variables medio-ambientales diseñado para la vigilancia de reservas naturales. - Además, se ha planteado, asimismo, un nuevo método para la estandarización del proceso de reconfiguración de nodos asociados a redes de sensores inalámbricas. Para ello se ha propuesto la definición de un nuevo datasheet electrónico (TEDS) asociado al estándar ISO/IEC/IEEE 21450 con el que es posible reconfigurar el hardware de acondicionamiento de señales del nodo sensor. Este nuevo datasheet ha sido implementado y se ha probado en una red de monitorización de variables medio-ambientales, demostrando su interés y utilidad en aplicaciones reales

A Semantic Interoperability Model Based on the IEEE 1451 Family of Standards Applied to the Industry 4.0

The Internet of Things (IoT) has been growing recently. It is a concept for connecting billions of smart devices through the Internet in different scenarios. One area being developed inside the IoT in industrial automation, which covers Machine-to-Machine (M2M) and industrial communications with an automatic process, emerging the Industrial Internet of Things (IIoT) concept. Inside the IIoT is developing the concept of Industry 4.0 (I4.0). That represents the fourth industrial revolution and addresses the use of Internet technologies to improve the production efficiency of intelligent services in smart factories. I4.0 is composed of a combination of objects from the physical world and the digital world that offers dedicated functionality and flexibility inside and outside of an I4.0 network. The I4.0 is composed mainly of Cyber-Physical Systems (CPS). The CPS is the integration of the physical world and its digital world, i.e., the Digital Twin (DT). It is responsible for realising the intelligent cross-link application, which operates in a self-organised and decentralised manner, used by smart factories for value creation. An area where the CPS can be implemented in manufacturing production is developing the Cyber-Physical Production System (CPPS) concept. CPPS is the implementation of Industry 4.0 and CPS in manufacturing and production, crossing all levels of production between the autonomous and cooperative elements and sub-systems. It is responsible for connecting the virtual space with the physical world, allowing the smart factories to be more intelligent, resulting in better and smart production conditions, increasing productivity, production efficiency, and product quality. The big issue is connecting smart devices with different standards and protocols. About 40% of the benefits of the IoT cannot be achieved without interoperability. This thesis is focused on promoting the interoperability of smart devices (sensors and actuators) inside the IIoT under the I4.0 context. The IEEE 1451 is a family of standards developed to manage transducers. This standard reaches the syntactic level of interoperability inside Industry 4.0. However, Industry 4.0 requires a semantic level of communication not to exchange data ambiguously. A new semantic layer is proposed in this thesis allowing the IEEE 1451 standard to be a complete framework for communication inside the Industry 4.0 to provide an interoperable network interface with users and applications to collect and share the data from the industry field.A Internet das Coisas tem vindo a crescer recentemente. É um conceito que permite conectar bilhões de dispositivos inteligentes através da Internet em diferentes cenários. Uma área que está sendo desenvolvida dentro da Internet das Coisas é a automação industrial, que abrange a comunicação máquina com máquina no processo industrial de forma automática. Essa interligação, representa o conceito da Internet das Coisas Industrial. Dentro da Internet das Coisas Industrial está a desenvolver o conceito de Indústria 4.0 (I4.0). Isso representa a quarta revolução industrial que aborda o uso de tecnologias utilizadas na Internet para melhorar a eficiência da produção de serviços em fábricas inteligentes. A Indústria 4.0 é composta por uma combinação de objetos do mundo físico e do mundo da digital que oferece funcionalidade dedicada e flexibilidade dentro e fora de uma rede da Indústria 4.0. O I4.0 é composto principalmente por Sistemas Ciberfísicos. Os Sistemas Ciberfísicos permitem a integração do mundo físico com seu representante no mundo digital, por meio do Gémeo Digital. Sistemas Ciberfísicos são responsáveis por realizar a aplicação inteligente da ligação cruzada, que opera de forma auto-organizada e descentralizada, utilizada por fábricas inteligentes para criação de valor. Uma área em que o Sistema Ciberfísicos pode ser implementado na produção manufatureira, isso representa o desenvolvimento do conceito Sistemas de Produção Ciberfísicos. Esse sistema é a implementação da Indústria 4.0 e Sistema Ciberfísicos na fabricação e produção. A cruzar todos os níveis desde a produção entre os elementos e subsistemas autónomos e cooperativos. Ele é responsável por conectar o espaço virtual com o mundo físico, permitindo que as fábricas inteligentes sejam mais inteligentes, resultando em condições de produção melhores e inteligentes, aumentando a produtividade, a eficiência da produção e a qualidade do produto. A grande questão é como conectar dispositivos inteligentes com diferentes normas e protocolos. Cerca de 40% dos benefícios da Internet das Coisas não podem ser alcançados sem interoperabilidade. Esta tese está focada em promover a interoperabilidade de dispositivos inteligentes (sensores e atuadores) dentro da Internet das Coisas Industrial no contexto da Indústria 4.0. O IEEE 1451 é uma família de normas desenvolvidos para gerenciar transdutores. Esta norma alcança o nível sintático de interoperabilidade dentro de uma indústria 4.0. No entanto, a Indústria 4.0 requer um nível semântico de comunicação para não haver a trocar dados de forma ambígua. Uma nova camada semântica é proposta nesta tese permitindo que a família de normas IEEE 1451 seja um framework completo para comunicação dentro da Indústria 4.0. Permitindo fornecer uma interface de rede interoperável com utilizadores e aplicações para recolher e compartilhar os dados dentro de um ambiente industrial.This thesis was developed at the Measurement and Instrumentation Laboratory (IML) in the University of Beira Interior and supported by the portuguese project INDTECH 4.0 – Novas tecnologias para fabricação, que tem como objetivo geral a conceção e desenvolvimento de tecnologias inovadoras no contexto da Indústria 4.0/Factories of the Future (FoF), under the number POCI-01-0247-FEDER-026653

Intelligent Sensor Networks

In the last decade, wireless or wired sensor networks have attracted much attention. However, most designs target general sensor network issues including protocol stack (routing, MAC, etc.) and security issues. This book focuses on the close integration of sensing, networking, and smart signal processing via machine learning. Based on their world-class research, the authors present the fundamentals of intelligent sensor networks. They cover sensing and sampling, distributed signal processing, and intelligent signal learning. In addition, they present cutting-edge research results from leading experts

Viability of FPGAs in wireless sensor networks

Dentro del contexto del proyecto de tesis planteado, se aborda el problema del control y las comunicaciones en las luminarias de los sistemas inteligentes de alumbrado público. En los trabajos reportados en la literatura sobre el tema planteado, se encuentra el problema particular de la implementación de protocolos digitales de comunicaciones en las luminarias, y especialmente en la implementación del protocolo Digital Addressable Lighting Interface (DALI) en redes de sensores inalámbricos. Desafortunadamente los microcontroladores que habitualmente se emplean en los nodos de sensores inalámbricos, no integran periféricos para este tipo de protocolos, por lo que suelen implementarse por software. Un punto de oportunidad es implementar este tipo de protocolos en hardware mediante una FPGA y de esta forma demostrar su viabilidad en nodos de sensores inalámbricos. En esta tesis se presenta una solución para implementar por hardware el protocolo DALI para controlar sistemas de iluminación inteligente. La novedad de este trabajo es la descripción portable del protocolo DALI implementado en forma de un bridge de comunicaciones en una FPGA de bajo coste, bajo consumo de energía y poca cantidad de recursos lógicos, para ser embebida en un nodo sensor inalámbrico. El protocolo se ha descrito en lenguaje VHDL siguiendo los estándares 1076-93 y 1076.3-97. Las contribuciones de este trabajo demuestran la viabilidad de la utilización de FPGAs en redes de sensores inalámbricos, que en este caso se utilizan para implementar el bridge DALI y resolver el problema de la interfaz de comunicación.Within the context of the proposed thesis project, the problem of control and communications for luminaires in intelligent public lighting systems is addressed. In the works reported in the literature on the subject, we can find the particular problem of the implementation of digital communication protocols for luminaires, and specifically the implementation of the Digital Addressable Lighting Interface (DALI) protocol in wireless sensor networks. Unfortunately, the microcontrollers that are commonly used in wireless sensor nodes do not integrate peripherals for this type of protocol, so they are usually implemented by software. A point of opportunity is to implement this type of protocols in hardware through an FPGA and thus demonstrate its viability in wireless sensor nodes. In this thesis, a solution is presented to implement the DALI protocol by hardware to control intelligent lighting systems. The novelty of this work is the portable description of the DALI protocol implemented in the form of a communications bridge in a low-cost FPGA, with low power consumption and few logical resources, which will be embedded in a wireless sensor node. The protocol has been described in VHDL language following the 1076-93 and 1076.3-97 standards. The contributions of this work demonstrate the feasibility of using FPGAs in wireless sensor networks, which in this case are used to implement the DALI bridge and solve the communication interface problem

4to. Congreso Internacional de Ciencia, Tecnología e Innovación para la Sociedad. Memoria académica

Este volumen acoge la memoria académica de la Cuarta edición del Congreso Internacional de Ciencia, Tecnología e Innovación para la Sociedad, CITIS 2017, desarrollado entre el 29 de noviembre y el 1 de diciembre de 2017 y organizado por la Universidad Politécnica Salesiana (UPS) en su sede de Guayaquil. El Congreso ofreció un espacio para la presentación, difusión e intercambio de importantes investigaciones nacionales e internacionales ante la comunidad universitaria que se dio cita en el encuentro. El uso de herramientas tecnológicas para la gestión de los trabajos de investigación como la plataforma Open Conference Systems y la web de presentación del Congreso http://citis.blog.ups.edu.ec/, hicieron de CITIS 2017 un verdadero referente entre los congresos que se desarrollaron en el país. La preocupación de nuestra Universidad, de presentar espacios que ayuden a generar nuevos y mejores cambios en la dimensión humana y social de nuestro entorno, hace que se persiga en cada edición del evento la presentación de trabajos con calidad creciente en cuanto a su producción científica. Quienes estuvimos al frente de la organización, dejamos plasmado en estas memorias académicas el intenso y prolífico trabajo de los días de realización del Congreso Internacional de Ciencia, Tecnología e Innovación para la Sociedad al alcance de todos y todas