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«Carles Gómez Josep Paradells José E. Caballero Edita: Fundación Vodafone España Autores: Carles Gómez Montenegro* Universitat Politècnica de ...»

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Adicionalmente, es deseable que un sistema operativo ofrezca funcionalidades que faciliten la carga y descarga de código y que ofrezca un interfaz para que las aplicaciones puedan acceder al hardware sin tener un conocimiento detallado del mismo. Para los sistemas operativos de nodos sensores, otra funcionalidad necesaria será la gestión de la energía con el objetivo de minimizar el consumo. Un sistema operativo es un programa de gran importancia en cualquier elemento procesador, ya que facilita el desarrollo de aplicaciones, pero no debe degradar las prestaciones que este elemento procesador puede ofrecer. En entornos en los que recursos son amplios este último requerimiento no es vital, pero para un nodo sensor en el que la capacidad de proceso y memoria son extremadamente limitados, este requerimiento es una necesidad. En un escenario distribuido como es una red de sensores el sistema operativo puede ofrecer facilidades adicionales relacionadas con ejecución distribuida de aplicaciones. Este aspecto se vincula generalmente con una aplicación de intermediación conocida como middleware que se puede ubicar en un elemento de la red, como por ejemplo el nodo pasarela, y los nodos sensores. Algunos middleware son una tarea más del nodo y en otros casos el sistema operativo incorpora estas funcionalidades.

En la literatura podemos encontrar una gran variedad de sistemas operativos para nodos sensores. Algunos de ellos son adaptaciones de soluciones existentes para plataformas de limitadas prestaciones y otros han sido desarrollados para nodos sensores. La clasificación de los sistemas operativos se puede hacer en función de unas características básicas como son la arquitectura, la reprogramación, el modelo de ejecución y la planificación (scheduling) temporal.

La arquitectura de un SO se refiere a la organización del SO y de las aplicaciones que se ejecutan. Existe la arquitectura denominada monolítica

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(con SO y aplicaciones integradas en un programa), la modular y la basada en máquina virtual. En esta última, el SO incorpora componentes de las aplicaciones que permiten hacer las aplicaciones más compactas y permite esconder la red, esto es, que el desarrollador de aplicaciones pueda despreocuparse parcial o totalmente de los detalles de la red sobre la cual se ejecutarán las aplicaciones.

El modelo de ejecución de un SO indica de qué modo se ejecutan las aplicaciones en el nodo. El más común es el basado en eventos, pero también encontramos el basado en hilos o threads. Para el primer caso, las aplicaciones generan eventos que son tratados uno detrás de otro. Existen otras opciones, como la basada en máquina de estados.

La reprogramación hace referencia a la facilidad para modificar el software que se ejecuta en el SO. Este aspecto tiene especial interés en las redes de sensores dada la posible inaccesibilidad de los nodos de red, en cuyo caso se haría de forma remota.

En cuanto a la planificación temporal, el procesador se reparte entre las diferentes tareas. Las formas más comunes en redes de sensores son periódica/no periódica y crítica/no crítica. Por ejemplo, una medida de temperatura es periódica, una generación de una alarma es no periódica.

Existe una gran variedad de sistemas operativos en la literatura. Los que podemos considerar que gozan de mayor aceptación son el TinyOS, FreeRTOS y Contiki. Todos ellos son de código abierto.

11. Arquitecturas y tecnologías

En la última década, las WSNs han focalizado la atención de círculos académicos y también han suscitado el interés por parte de compañías privadas, alianzas de empresas y organismos de estandarización. Algunas soluciones para WSNs han sido desarrolladas para aplicaciones específicas, mientras que otras han sido diseñadas para un propósito general.

Las principales soluciones que podemos considerar de propósito general son ZigBee, 6LoWPAN y Bluetooth Low Energy (BT-LE). Tanto ZigBee

Sensores en todas partes

como 6LoWPAN emplean la tecnología IEEE 802.15.4 para las capas física y MAC. ZigBee define su propia pila de protocolos, ofreciendo funciones de red y aplicación, además de funciones de seguridad en todas las capas.

ZigBee dispone de varios perfiles que permiten configurar de forma óptima el estándar para distintos entornos y aplicaciones (gestión inteligente de la energía, automatización de edificios y doméstica, aplicaciones de salud, etc.). Por su parte, la suite 6LoWPAN consiste en el conjunto de mecanismos que permiten la transmisión de paquetes IPv6 sobre redes IEEE 802.15.4.

6LoWPAN se puede complementar con el protocolo de encaminamiento RPL, que está en desarrollo. Finalmente, BT-LE permite definir enlaces de bajo consumo con respecto a Bluetooth. Sin embargo, la especificación BTLE no define cómo formar redes multi-salto.

Existen varias tecnologías en el mercado desarrolladas especialmente para la automatización y control de residencias y edificios. En este ámbito, podemos destacar Z-Wave, Wavenis, EnOcean, INSTEON y One-Net. Z-Wave consiste en una arquitectura completa de cinco capas basada en una interfaz radio propietaria. Wavenis ofrece funcionalidad de capa física, enlace y red, y ha sido diseñada para enlaces de largo alcance y aplicaciones de recolección de smart utility. EnOcean se orienta a la automatización de edificios y emplea mecanismos autosuficientes de recolección de energía (a partir de fenómenos físicos que acontecen en el propio entorno) para alimentar a sus dispositivos. INSTEON define una red que puede emplear enlaces inalámbricos y cableados (a través de la red eléctrica) para la transmisión de información en entornos domésticos.





Además, existen soluciones de WSNs para la automatización y control industrial. Cabe destacar el protocolo TSMP, que constituye la base de los estándares WirelessHART e ISA100.11a. TSMP emplea diversidad en frecuencia y en tiempo para el acceso al medio, incluye mecanismos de encaminamiento y también de seguridad. WirelessHART emplea la capa física y el formato de trama MAC de IEEE 802.15.4, mientras que ISA100.11a emplea las capas física y MAC de IEEE 802.15.4-2006 y define el uso de 6LoWPAN a nivel de red.

Finalmente, existen otras soluciones como SensiNet, Xmesh, ANT, DigiMesh, AmbioSystems o Ambient Systems.

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12. Gestión de los datos obtenidos por las WSNs Las WSNs tienen una gran capacidad de recolección de datos, pero tales datos deben ser enriquecidos con información adicional de contexto para poder transformarlos en información. Esta información adicional puede incluir el instante en el que se obtiene un dato, la localización del nodo sensor correspondiente, el tipo de atributo, etc. Sin embargo, los metadatos que permiten enriquecer a los datos suelen requerir cantidades elevadas de bytes para ser codificados, y por otra parte, consumen recursos de los dispositivos, los cuales son limitados en WSNs. Una posible solución a este problema consiste en emplear formatos de metadatos compactos. Otra opción es que algunos nodos intermedios se encarguen de añadir metadatos a la información bruta recogida por los nodos sensores.

En WSNs es interesante minimizar el número de transmisiones, para ahorrar energía y ancho de banda. Para ello, existen técnicas de agregación de datos que consisten en que algunos nodos sensores comparen la información obtenida por sus nodos vecinos, y que sólo se transmita hasta el sumidero correspondiente la información imprescindible, evitando transmitir datos redundantes.

Finalmente, los datos, junto con sus metadatos, pueden ser almacenados de manera eficiente en una base de datos, para su posterior análisis.

Existen aplicaciones de las WSNs donde la información recogida por los distintos sensores no es obtenida en tiempo real. En tales aplicaciones, los datos deben ser temporalmente almacenados en la red. Para ello, se definen protocolos de almacenamiento colaborativo en la propia red, que permiten llevar a cabo tareas de agregación y de eliminación de la redundancia de los datos obtenidos.

El protocolo XML es el estándar de facto para el intercambio de información estructurada en la Web. Existen diversas adaptaciones de XML para su uso en WSNs. Algunos ejemplos son BXML, EXI, EEML y SensorML.

Por otra parte, la iniciativa Sensor Web ha sido creada por el OGC y la Semantic Web Activity del W3C para proporcionar descripciones mejoradas y significado a los datos recogidos por sensores y para facilitar su transporte a través de Internet. De hecho, el OGC ha establecido un conjunto de

Sensores en todas partes

especificaciones relacionadas con sensores, modelos de datos de sensores y servicios web para sensores, de forma que los nodos sensores sean accesibles y controlables a través de la web.

Cabe destacar también el estándar IEEE 1451, que fue desarrollado para facilitar la conectividad entre sensores y actuadores con un sistema central de información. Adicionalmente, IEEE 1451 soporta tecnologías para lograr la conectividad remota. De hecho, IEEE 1451 constituye un conjunto de interfaces para transductores inteligentes con facilidades para la auto-identificación, auto-descripción, auto-diagnóstico, auto-calibración, formato de presentación estándar y protocolos de comunicaciones.

13. Interoperabilidad

Las WSNs requieren conectividad con otras redes por varias razones que incluyen el control remoto, el acceso remoto a los datos recogidos, actualizaciones de software de los nodos sensores, etc. Pese a que existen opiniones en contra de las arquitecturas basadas en capas para WSNs, tales arquitecturas pueden ser ventajosas en términos de interoperabilidad dado que las redes convencionales emplean este mismo principio.

La principal red con la cual resulta interesante poder conectar una WSN es Internet. Existen varias propuestas para lograr tal objetivo. Sin embargo, muchas WSNs emplean protocolos especiales, no estandarizados. En tales condiciones, no es posible conectar una WSN con una red IP. Se han propuesto dos opciones para resolver este problema: el uso de la arquitectura DTN (que no está teniendo una aceptación mayoritaria en la comunidad interesada en las WSNs) y el empleo de un proxy o pasarela de traducción de protocolos entre la WSN y la red IP. Un enfoque distinto, que está adquiriendo relevancia a medida que la tecnología evoluciona, es conectar directamente la WSN a una red IP mediante el uso de una pila IP en los propios nodos sensores. Este esquema facilita además la inclusión de WSNs en el entorno IMS (IP Multimedia Subystem).

Un gateway de traducción de protocolos es un dispositivo que soporta dos o más interfaces físicas y la semántica y funcionalidad de dos o más

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pilas de protocolos. Por ejemplo, un dispositivo de este tipo puede conectar una red ZigBee con una red IP. Sin embargo, estos dispositivos exhiben algunas desventajas. Una de ellas es la falta de consistencia extremo a extremo, la cual dificulta realizar tareas como el transporte o la calidad de servicio de forma eficaz. De hecho, los dispositivos de traducción de protocolos pueden emplear el principio del “mínimo común denominador” para permitir la interoperabilidad de las distintas tecnologías que comunican. Por otra parte, dado que la WSN y la red IP a la que se conecta constituyen dominios distintos, existen mayores riesgos a nivel de seguridad, puesto que a cada lado de la pasarela existe una esfera de seguridad distinta.

En cambio, el empleo del protocolo IP en los propios nodos sensores tiene numerosas ventajas. El protocolo IP es un buen protocolo para la interoperabilidad entre redes distintas (tal y como ha demostrado durante varias décadas). Es un protocolo universal en términos de la variedad de aplicaciones, dispositivos, sistemas operativos y tecnologías de red que soporta.

Además, IPv6 ofrece características adecuadas para las WSNs, como una gran disponibilidad de direcciones y facilidades para la autoconfiguración de dispositivos.

Cabe destacar la tendencia que distintas soluciones comerciales de WSNs (p. ej. ZigBee, Z-Wave y Wavenis) han mostrado al manifestar su interés por adoptar los protocolos IP en sus especificaciones.

Existen propuestas para plantear una interoperabilidad de redes a nivel de sesión. Una de ellas (TinySIP) está basada en el uso de SIP como mecanismo de intercambio de información de estado usando el paradigma de PUBLISH/SUBSCRIBE. Otra propuesta usa el XMPP (eXtensible Messaging and Presence Protocol) desarrollada originalmente por la comunidad de código abierto Jabber. Este protocolo es la alternativa a SIP en la realización de aplicaciones de presencia que usa tres tipos de comandos relacionados con la publicación/subscripción de un evento, la transferencia de mensajes y el petición/información. OpenSpime de WideTag usa este protocolo para en intercambio de información de los sensores. Finalmente, existen otras iniciativas como el MQTT-S de IBM o Pachube que también se basan en el paradigma de publicación y suscripción.

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14. Consumo y recolección de energía Un aspecto fundamental en el diseño y despliegue de WSNs es el consumo de energía de los nodos. Las soluciones tradicionales basadas en el empleo de baterías, o bien de conectar los nodos a la red eléctrica (cuando ésta esté disponible) son soluciones viables sólo para un conjunto limitado de usos. Para una aceptación amplia de las WSNs, una vez se ha emplazado un nodo en una WSN, éste debería poder operar de manera no atendida, mientras que el recambio de su batería puede ser una opción inviable o poco práctica. Las limitaciones de energía de las WSNs dan lugar a una serie de principios de diseño distintos a los que habitualmente existen en las redes tradicionales.

El elemento que contribuye en mayor medida al consumo de energía de un nodo sensor es la comunicación del mismo (tanto la transmisión como la recepción de señales). El procesado de datos también consume energía, pero en una medida muy inferior. De ello se deduce que es preferible procesar la información de que se dispone si con ello se ahorran bytes a transmitir.



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