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INTEGRACIÓN DE REDES SENSORIALES EN LA PLATAFORMA MINERVA
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Protocolo de Pruebas
Secuencia de arranque
A continuación se muestran los pasos a seguir para la puesta en marcha de la
red de nodos inalámbrica 802.15.4.
Encendido de nodos.
Mediante el jumper seleccionaremos uno de los dos tipos de
alimentación que posee el nodo. Si elegimos EXT, la alimentación se realiza
mediante la red eléctrica. Con ayuda de un destornillador conectaremos GND
del adaptador con el tornillo izquierdo de la tornillera de alimentación y VDD al
derecho. Una vez conectados enchufaremos el adaptador a la red eléctrica. Si
elegimos BAT, la alimentación se realiza mediante el uso de baterías, en este
caso pilas AA. El nodo estará encendido cuando los leds comiencen a
parpadear.
Inicialización de la red.
Para inicializar la red de sensores se debe conectar el nodo coordinador
mediante un cable con conector DB9 a la pasarela, donde se van a gestionar
todas las tramas de información de la red. Una vez conectado y encendido
pulsar el switch P1 y el nodo comienza a crear la red. Cuando el nodo
coordinador esté listo mandará a la pasarela la trama correspondiente “HOLA”.
Asociación de un nodo a la red.
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Los nodos fijos se distribuirán por la zona de trabajo, cada uno de ellos
diferenciado por su dirección MAC. Una vez distribuidos y encendidos,
pulsaremos el switch P1 para que el nodo se asocie a la red inicializada por el
nodo coordinador. Esta forma de actuar será la misma tanto en los nodos fijos
como móviles.
Protocolos de comunicación
Se ha desarrollado un protocolo de comunicaciones entre la pasarela y
los nodos inalámbricos. Se trata de un protocolo punto a punto que permite la
obtención de información de los nodos así como la interacción con ellos. Como
la pasarela está físicamente conectada al nodo coordinador, este protocolo se
apoya en otro que comunica la pasarela y el nodo coordinador.
Las comunicaciones entre los nodos viene efectuada según la norma
802.15.4 en las capas física y de red, mientras que es Zigbee la encargada de
la configuración de red y la seguridad. En nuestro caso, puesto que los nodos
solo implementan las funciones del estándar 802.15.4, nuestros protocolos
actuarán de protocolos de red.
Figura 47 Pila de Protocolos 802.15.4/Zigbee
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En anteriores secciones se ha desarrollado el estándar 802.15.4, por lo
que nos limitaremos a explicar los protocolos propietarios.
Protocolo Pasarela-Coordinador
Trama de longitud variable
Figura 48 Trama del protocolo Pasarela-coordinador
La bandera de inicio es 0xAA (10101010) y la de final 0xFF (11111111).
La longitud (Long.) mide 8bits (28-1 = 255) y no se tiene en cuenta las
banderas iniciales y finales.
Los datos son optativos y pueden medir hasta 252 octetos. (máximo
permitido del campo longitud), pero están limitados por el buffer de salida de
los nodos. No se usarán más de 5 octetos de datos. Dentro del campo de datos
irá el protocolo Pasarela-nodo.
El CMD es el código de comandos entre la pasarela y el coordinador.
Tiene la siguiente tabla de valores:
0x11 Datos
0x21 ACK
0x31 NACK
0xBB HOLA
0xFF Error
Tabla 12. Mensajes del protocolo Pasarela-coordindor
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El CRC de cabecera + datos, sin las banderas, se calcula siguiendo las
especificaciones del CRC-8-ATM.
El nodo coordinador comprobará el CRC. Si no hay errores manda a la
pasarela un ACK(0xAA,0x03,0x21,CRC,0XFF). Si hay errores tira la trama y
envía un NACK a la pasarela (0XAA,0X03,0X31,CRC,0XFF). Cuando llega un
NACK se reenvía la trama. No se enviarán nuevas tramas si no llega el ACK.
Solo se tiene en memoria una trama a enviar. Idem. para la pasarela.
Cuando se arranca el coordinador mandan un HOLA para indicar que se
está presente a la pasarela y se espera otro HOLA para iniciar el proceso de
comunicación.
Figura 49 Arranque del nodo coordinador.
El protocolo RS232 es muy robusto10 en distancias cortas y
normalmente si hay un error es que hay una perdida importante en el camino
(cable cortado, situación de mucho ruido, etc..) Por ello el control de errores
solo presenta ACK y NACK.
El coordinador pasa a los nodos el campo DATO solamente (el resto es
para la comunicación serie, no interfiere en la comunicación de los nodos).
10 Electronic Industries Association, EIA Standard RS-232-C Interface Between Data Terminal Equipment and Data Communication Equipment Employing Serial Data Interchange, Telebyte Technology Data Communication Library, Greenlawn, 1985.
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Protocolo Pasarela-Nodo
El nodo puede ser cualquiera dentro de la red, incluso el propio
coordinador. Éste realiza las operaciones descritas anteriormente, coge los
datos del protocolo pasarela-coordinador y los encapsula en 802.15.4 (si no
son dirigidos a el).
El formato de trama de este protocolo es el siguiente:
Figura 50 Trama del protocolo Pasarela nodo coordinador
Este formato de trama es bidireccional, tanto de los nodos a la pasarela como
de la pasarela a los nodos.
La dirección del nodo ocupa 2 octetos. Tanto si el mensaje es de la
pasarela al nodo como del nodo a la pasarela indica la dirección del nodo,
puesto que la comunicación es punto a punto (aunque en la red 802.15.4 se
realice una serie de saltos). No hay mensajes de este nivel entre nodos,
siempre entre nodo y pasarela.
El CMD son los códigos de comando. (ver tabla siguiente).
El campo de DATOS es de longitud variable. Ahí irán los valores de los
sensores solicitados (2 octetos) o las direcciones de los nodos si se solicita una
verificación o si se da una información sobre ellos.
CMD PasarelaNodo Nodo Pasarela
0x01 Dato del sensor?
0x02 Dato del sensor
DATOS CMD DIRECCION NODO
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0x03 Alerta
0x04 Acción ON
0x05 Acción OFF
0x06 ACK Acción ON
0x07 ACK Acción OFF
0x91 Nodo no presente*
0x92 Nodo existente?*
0x93 Nodo existente*
0xFF Error grave. Error grave.
Tabla 13. Mensajes del protocolo Pasarela-nodos
Los mensajes marcados con un asterisco son aquellos que la pasarela
dirige al coordinador. En estos casos en el campo DATOS va la dirección del
nodo por el que se pregunta.
Tabla 14. Comunicación entre la pasarela y los nodos
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Este protocolo compuesto, (Pasarela-Coordinador y Pasarela-Nodo) ha
sido uno de los logros más importantes de este proyecto. Utilizando las
múltiples configuraciones de red que nos permite la norma 802.15.14 se le ha
dotado de un protocolo punto a punto con el enlace exterior de la red, por
medio del nodo coordinador. Si bien no se sustituye totalmente la pila
propietaria Zigbee, para los objetivos buscados, este protocolo ha reflejado
muy buenos resultados.
Primer prototipo
Se han realizado un hito intermedio antes de llegar al prototipo final, con
la red sensorial dotada de menos sensores y sin utilizar el punto de acceso de
RedBox.
En este primer prototipo, al no utilizar la red Minerva, se ha utilizando el
módem GSM incluido en la pasarela y se enviaban SMS directamente al
usuario final. Los nodos utilizados en este primer prototipo estaban dotados
solamente de sensores de temperatura y acelerómetro. El coordinador estaba
conectado a la pasarela mediante el cable RS232 y controlaba a los demás
nodos mediante una primer versión del protocolo de comunicaciones antes
mencionado.
Los nodos emitían una señal de alarma cuando se detecta un
movimiento en el acelerómetro, fundamentalmente la caída libre. Además
respondían ante las peticiones de temperatura realizadas a través de SMS.
Estas peticiones eran elaboradas por la pasarela y enviadas nuevamente
mediante SMS al usuario final.
Se han realizado una serie de pruebas de mensajes SMS desde el
terminal móvil directamente a la pasarela y se ha visto la necesidad de dotar al
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sistema de un único punto de acceso. Mediante el envío de SMS al modem de
la pasarela si el núermo de redes crece, la gestión se hace insostenible.
Otro problema encontrado es que los SMS no se presentan en lenguaje
amigable, sino que tiene que ser interpretados. Incluso se pierde la traza de
anteriores peticiones o resultados, no pudiendo realizar estadísticas o series
con los datos.
Tras las baterías de pruebas se ha optado por revisar el protocolo entre
pasaraela-nodo final a fin de poder incorporar nuevos sensores y reforzar la
seguridad del protocolo pasarela-nodo coordinador. La red sensorial se ha
aumentado en número de nodos y en sensores en cada uno de ellos.
Así mismo, la introducción del red Minerva RedBox garantiza la solución
a los problemas antes planteados con la unificación del punto de acceso y la
gestión global de los mensajes.
Finalmente se ha desarrollado el Prototipo final de la interconexión de la
red sensorial con MinervaRedbox.
Prototipo final
En el desarrollo final del Prototipo, los SMS enviados por los clientes se
han adaptado a un lenguaje “humano”, abstrayendo del usuario final la
configuración de los nodos para interactuar con ellos. De esta forma el servidor
será el encargado de identificar los SMS y enviarlos a su destinatario
correspondiente, a la Pasarela si viene de los clientes, o al cliente pertinente si
es una respuesta.
Es por tanto posible gestionar una serie de números a los que se transmite las
alarmas, así como gestionar las peticiones de cada cliente.
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Se han incluido nuevos sensores a la red, de tal forma que tenemos señales de
alarma por sonido excesivo, por presencia, por luz excesiva, por acelerómetro y
por paso cercano. La configuración de la red se ha hecho dinámica, mediante
ficheros de configuración xml. Esto permite una mayor versatilidad a la hora de
cambios de sensores o nodos y es transparente al usuario.
Figura 51 Pasarela y nodos
El prototipo ha sido ampliamente descrito en los apartados anteriores,
componiéndose de:
Una pasarela OWASYS 22A
Un Placa del Kit de desarrollo
Un nodo coordinador
Cinco nodos sensoriales con sensor de temperatura y acelerómetro integrado.
Un sensor de Obstáculos, otro de luz, otro de presencia y otro de ruido.
Cables de conexionado y alimentación y antenas.
Se han realizado una batería de pruebas antes de la presentación del prototipo
en el I Congreso Andaluz de Movilidad11. En ellas se ha podido constatar un
11 Ver Anexo A
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cierto letargo en el envío de los SMS de alerta, desde que se produce hasta
que llega al usuario final.
Esto es debido sobre todo a la latencia del envío de SMS en la red GSM. Por
este motivo, las alarmas no pueden ser monitorizadas con una latencia inferior
a 30 segundo, no siendo adapto el sistema para situaciones de emergencia
mayor.
No obstante, se ha cargado el sistema con pruebas de envío masivo de
mensajes desde la red a distintos destinatarios y se ha podido comprobar la
robustez del sistema. También se han realizado pruebas de modificación de la
red “en caliente”, realizando con éxito la inclusión y exclusión no solo de nodos,
sino de sensores.