Desarrollo de una herramienta para la generación de interfaces gráficas con redes de sensores inalámbricas

Abstract

Las redes de sensores inalámbricas se perfilan como una de las tecnologías más prometedoras en los próximos años en al ámbito del control y de la toma de medidas de parámetros físicos del entorno de forma masiva. Para ello se han de diseñar nodos autónomos capaces de medir/actuar, procesar información y comunicarla de forma inalámbrica a través de los otros nodos de la red, hasta una estación base de recogida y análisis de datos donde se provoca una actuación en consecuencia. Existen múltiples aplicaciones en todos aquellos ambientes en donde se pretenda observar y/o controlar el estado de dispositivos, seres vivos o parámetros ambientales de manera constante, autónoma, no intrusiva y durante largos periodos de tiempo. Las redes de sensores inalámbricas (Wireless Sensor Network, WSN) están formadas por un conjunto de dispositivos que permiten una comunicación sin cables, interconectados entre sí a través de una red inalámbrica y a su vez conectados a un sistema central en el que se recopilará la información recogida por cada uno de los sensores. Este proyecto persigue desarrollar una aplicación que permita visualizar mediante el uso de una interfaz gráfica en Java, los sensores que tenemos desplegados por la red, realizar consultas de valores de sus sensores, modificar parámetros que controlan el funcionamiento de los sensores, permitir mostrar graficas de la evolución de los valores a medir por los sensores, y por último reprogramar los sensores de forma inalámbrica. El título de este Proyecto Final de Carrera es “Desarrollo de un herramienta para la generación de interfaces gráficas con redes de sensores inalámbricas”. El objetivo fundamental del proyecto es el control y monitorización de todos los nodos de la red desde un PC, los cuales se conectan con la red a través de un nodo cuya función es de hacer de conexión entre el PC y la red de sensores. La única función del resto de sensores es ejecutar los comandos que son enviados desde la aplicación principal y enviar la respuesta al PC. Si bien ésta es la forma habitual en que trabajan las redes de sensores, en este proyecto se pretende facilitar el desarrollo de interfaces gráficas de usuario (GUI). El desarrollo de estas, normalmente se realiza a medida de la aplicación que se desarrolla, teniendo que emplear un esfuerzo importante. Lo que se persigue es poder crear el GUI de forma sencilla a partir de una serie de clases, ahorrando la mayor cantidad de trabajo posible. De la misma manera se proveerá un GUI genérico que permita controlar la red de sensores sin tener que modificar el código que se ejecuta en el PC ni, por tanto, aprender a usar los lenguajes de programación y librerías con los que se ha desarrollado. La ejecución de las distintas tareas en los nodos sensores es llevaba a cabo por un conjunto de componentes previamente definidos siguiendo unas normas predefinidas que permiten la comunicación con el PC y bajo las cuales pueden ser desarrollados nuevos componentes que realicen tareas distintas a las que se presentan este proyecto. El desarrollo de este proyecto ha implicado el uso de numerosas tecnologías relacionadas con las redes de sensores y la programación. Los nodos empleados son los ampliamente extendidos TelosB, que se han programado haciendo uso del sistema operativo para redes de sensores TinyOS y su lenguaje de programación nesC, una 8 Introducción y Objetivos ampliación del lenguaje C estándar orientada a componentes. Asimismo se han empleado otras subsistemas de este sistema operativo que han permitido realizar tareas como la reprogramación inalámbrica de la red (Deluge) o el aislamiento de tareas en componentes que las ejecutan (TinySchema) creando atributos para la lectura de datos (valor medido por los sensores y parámetros de funcionamiento de los nodos) y comandos para su modificación o la ejecución de acciones por parte de los nodos. Para la GUI ejecutada en el PC se ha empleado java junto con la librería gráfica Swing, la librería de comunicaciones proporcionada por TinyOS y otras herramientas del sistema operativo que se describirán a lo largo de este documento. Los objetivos que se han perseguido durante la realización de este proyecto han sido los siguientes: - Fácil adición de funcionalidades a la aplicación, las cuales se encapsularán en componentes que se ejecutan en los nodos de la red de sensores. Estas funcionalidades deben implementarse en componentes aislados de forma que puedan ser fácilmente añadidas o eliminadas de la aplicación que se ejecuta. - Implementación de las funcionalidades básicas para las redes de sensores, como la lectura de los distintos tipos de sensores que integran los nodos y la lectura y escritura de parámetros de funcionamiento de una red de sensores como por ejemplo la potencia de transmisión. - Desarrollo de un interfaz de usuario genérico así como de clases java básicas que permitan la elaboración más adelante de interfaces de usuario con mayor nivel de personalización. - Auto-descubrimiento por parte del GUI tanto de los nodos que forman parte de una red como de las funcionalidades que estos ofrecen. - Elaboración de facilidades en el GUI que permitan simplificar el manejo de una red de sensores, como la reprogramación inalámbrica de la red, el manejo simultáneo de varias redes de sensores o la representación gráfica de datos y su almacenamiento. Por último explicar de forma breve el contenido de los capítulos que contiene esta memoria. En el Primer capítulo se describen las redes de sensores inalámbricas, explicando sus características principales : requisitos, tipos de arquitecturas, protocolos que se usan en las redes de sensores inalámbricas, problemas que se presentan en las redes de sensores inalámbrica, distintos ámbitos de aplicación, y para terminar este capítulo las diversas plataformas hardware que podemos encontrar de nodos sensores. En Segundo capítulo se describe el sistema operativo empleado, TinyOS, así como los distintos subsistemas que lo forman y que han sido usados en este proyecto. Además se da una serie de indicaciones para su uso en una red de sensores. Destacar que se hace un 9 Introducción y Objetivos especial hincapié en las herramientas TinySchema y Deluge ya que han sido parte fundamental para la elaboración de este proyecto. El Tercer capítulo trata de explicar de forma especifica la herramienta desarrollada, desde dos puntos de vista, que son: por un lado lo que confiere a los sensores, y por otro lado a lo que el la aplicación que se ejecuta en el PC. Se comienza explicando la parte referente a las comunicaciones desde la red de sensores hacia el PC, continuando posteriormente con la aplicación ejecutada en el PC. También se explica su estructura, librerías empleadas y clases y componentes desarrollados. Se explica como se usa la aplicación, sus funcionalidades y se muestran capturas de pantalla para describir un ejemplo real. El Cuarto capítulo es donde una vez explicado todo el proyecto, se da paso a una reflexión con unas conclusiones y, se abre una línea de trabajo para continuar con este proyecto con un apartado de líneas futuras.