Sistema de Telemetría basado en redes WSN (Wireless Sensor Network) para el Internet de las Cosas (IoT)

Abstract

[Abstract] The Internet of Things (IoT) involves a wide variety of heterogeneous technologies and resource-constrained devices that interact with each other. Due to such constraints, IoT devices usually require lightweight protocols that optimize the use of resources and energy consumption. Among the di erent commercial IoT devices, Bluetooth and BLE based beacons, which broadcast periodically certain data packets to notify their presence, have experienced a remarkable growth, specially due to their application in indoor positioning systems. As a solution to this problem, this thesis contributes with a general architecture of telemetry, di erent scenarios to access the cloud computing, guidelines for the selection of components in the di erent domains of an IoT-based architecture and examples of implementation of a WSN through a testbed based on the use of smart sensors with Bluetooth Low Energy. In the example shown, an IoT gateway is developed on an Android smartphone. This gateway integrates an MQTT client and has the necessary functionalities to pack the data from the sensors and send them to the MQTT broker residing in a cloud computing. There is also a friendly interface available for a local user to monitor and control the WSN created. Some experiments were carried out to demonstrate the functionality, speed and stability of the proposed gateway, to be used in this and other application domains. This thesis proposes a family of protocols named LP4S that provides fast responses and enables plug-and-play mechanisms that allow IoT telemetry systems to discover new nodes and to describe and auto-register the sensors and actuators connected to a beacon. Thus, three protocols are de ned depending on the beacon hardware characteristics: LP4S-6 (for resource-constraint beacons), LP4S-X (for more powerful beacons) and LP4S-J (for beacons able to run complex rmware). In order to demonstrate the capabilities of the designed protocols, the most restrictive (LP4S-6) is tested after implementing it for a telemetry application in a beacon based on Eddystone (Google's open beacon format). Thus, the beacon speci cation is extended in order to increase its ability to manage unlimited sensors in a telemetry system without interfering in its normal operation with Eddystone frames. The performed experiments show the feasibility of the proposed solution and its superiority, in terms of latency and energy consumption, with respect to approaches based on Generic Attribute Pro le (GATT) when multiple users connect to a mote or in scenarios where latency is not a restriction, but where low-energy consumption is essential. This thesis also presents a Virtual Transducer Electronic Data Sheet (VTEDS) based framework for the development of intelligent sensor nodes with plug-and-play capabilities in order to contribute to the evolution of the Internet of Things (IoT) towards the Web of Things (WoT). It makes use of new lightweight protocols that allow the sensors to self-describe, auto-calibrate and auto-register. Such protocols enable the development of novel IoT solutions while guaranteeing low latency, low power consumption and the required QoS. In order to evaluate the performance of the system, it was tested when using Bluetooth Low Energy (BLE) and Ethernet-based smart sensors in di erent scenarios. Speci cally, user experience was quanti ed empirically (i.e., how fast the system show collected data to a user). The obtained results show that the proposed VTED architecture is really fast, being some smart sensors (located in Europe) able to self-register and self-con gure in a remote cloud (in South America) in less than 3 s and to display data to remote users in less than 2 s. Finally, technological trends for the development of intelligent sensors in the eld of the current Internet of things are shown, based on communication technologies and protocols, hardware, multi-protocol and multi-network devices, operating systems, on-line development environments and programming languages of the rmware of said sensor nodes. All the scienti c contributions of this thesis are re ected in the design of a precision agriculture project, to control the irrigation of a banana plantation in an automated way. The aforementioned project is still in execution, although progress in its implementation is shown in the last chapter.

[Resumen] El Internet de las cosas (IoT) involucra una amplia variedad de tecnologías heterogéneas y dispositivos con recursos limitados que interactúan entre sÍ. Debido a tales restricciones, los dispositivos de IoT generalmente requieren protocolos livianos que optimicen el uso de los recursos y el consumo de energía. Entre los diferentes dispositivos comerciales de IoT, los beacons basados en Bluetooth y BLE, que transmiten periódicamente ciertos paquetes de datos para notificar su presencia, han experimentado un notable crecimiento, especialmente debido a su aplicación en sistemas de posicionamiento en interiores. Como solución a esta problemática esta tesis aporta con una arquitectura general de telemetría, diferentes escenarios para acceder a la cloud computing, guías de selección de componentes en los diferentes dominios de una arquitectura basada en IoT y ejemplos de implementación de una WSN a través de un testbed basado en el uso de sensores inteligentes con Bluetooth Low Energy. En el ejemplo mostrado se desarrolla un gateway IoT sobre un teléfono inteligente Android. Este gateway integra un cliente MQTT y dispone de las funcionalidades necesarias para empaquetar los datos de los sensores y enviarlos hacia el broker MQTT residente en una cloud computing. También se dispone de una interfaz amigable para que un usuario local pueda monitorear y controlar la WSN creada. Algunas experimentos fueron llevados a cabo paJ'a demostrar la funcionalidad, rapidez y estabilidad del gateway propuesto, para ser usado en este y otros dominios de aplicación. Corno parte de las soluciones planteadas en esta tesis, se propone una familia de protocolos denominada Lightweight Protocol for Sensors (LP4S) que proporciona respuestas rápidas y habilita los mecanismos plug-and-play que permiten a los sistemas de telemetría IoT descubrir nuevos nodos y describir y registrar automáticamente los sensores y actuadores conectados a un beacon. Por lo tanto, se definen tres protocolos dependiendo de las características de hardware del beacon: LP4S-6 (para beacons de recursos restringidos), LP4S-X (para beacons más potentes) y LP4S-J (para beacons capaces de ejecutar firmware complejo). Para demostrar las capacidades de los protocolos diseñados, el más restrictivo (LP4S-6) se prueba después de implementarlo para una aplicación de telemetría en un beacon basado en Eddystone (formato de beacon abierto de Google). Por lo tanto, la especificación del beacon se amplía para aumentar su capacidad de administrar sensores ilimitados en un sistema de telemetría sin interferir en su funcionamiento normal con las tramas Eddystone. Los experimentos realizados muestran la viabilidad de la solución propuesta y su superioridad, en términos de latencia y consumo de energía, con respecto a los enfoques basados en el perfil genérico de atributos (GATT) cuando múltiples usuarios se conectan a un sensor inteligente o en escenarios donde la latencia no es una restricción, pero el bajo consumo de energía es esencial. Se presenta además un framework basado en TEDS virtuales (VTEDS) para el desarrollo de nodos de sensores inteligentes con capacidades plug-and-play para contribuir a la evolución del Internet de las Cosas (IoT) hacia la Web de las Cosas (WoT). En el sistema propuesto se utilizan los protocolos livianos, que hemos desarrollado, para que los sensores se auto-describan, auto-calibren Y se auto-registren automáticamente. Dichos protocolos permiten el desarrollo de nuevas soluciones de IoT al tiempo que garantizan baja latencia, bajo consumo de energía y la QoS requerida. Para evaluar el rendimiento del sistema, se usaron sensores Bluetooth Low Energy (BLE) Y basados en Ethernet en diferentes escenarios. Específicamente, la experiencia del usuario se cuantificó empíricamente (es decir, qué tan rápido el sistema muestra los datos recopilados a un usuario). Los resultados obtenidos muestran que la arquitectura VTED propuesta es realmente rápida, ya que algunos sensores inteligentes (ubicados en Europa) pueden auto-registrarse Y auto-configurarse en una cloud remota (en América del Sur) en menos de 3s y mostrar datos de los sensores a usuarios remotos en menos de 2s. Finalmente, se muestran las tendencias tecnológicas para el desarrollo de sensores inteligentes en el ámbito del Internet de las cosas actual, en función de las tecnologías Y protocolos de comunicación, hardware, dispositivos multi-protocolos, sistemas operativos, ambientes de desarrollo on-line y lenguajes de programación del firmware de dichos nodos sensores. Todos los aportes científicos de esta tesis son reflejadas en el diseño de un proyecto de agricultura de precisión, para controlar el riego de una plantación de banano de forma automatizada. El proyecto citado aún se encuentra en ejecución, no obstante los avances de implementación del mismo son mostrados en el último capítulo.

[Resumo] A Internet das Cousas (IoT) implica unha ampla variedade de tecnoloxÍas e dispositivos con recursos limitados interactúan heteroxéneos. Debido a estas condicións, os dispositivos de Internet das cousas en xeral, esixen protocolos leves que optimizan o uso de recursos e consumo de enerxía. Entre os moitos dispositivos comerciais IDC, balizas baseado Bluetooth e ble, que transmiten periodicamente determinados paquetes de datos para notificar a súa presenza, presentan un crecemento significativo, sobre todo debido á súa aplicación en sistemas de posicionamento internos. Como solución a este problema desta tese ofrece un xeneral arquitectura telemetría escenarios diferentes para acceder a computación en nube, orienta a selección de compoñentes nos diferentes ámbitos de unha economía baseada en Internet das cousas e exemplos de posta en marcha dunha WSN través da arquitectura cun testbed baseado no uso de sensores intelixentes con Bluetooth Low Energy. No exemplo que se mostra, unha pasarela IoT está desenvolvida nun teléfono intelixente con Android. Este portal integra un cliente e ten MQTT necesario para embalaxe os datos dos sensores e envialos para o corrector MQTT residente en capacidades de computación en nube. Hai tamén unha interface amigable dispoñible para que un usuario local monitor e controle o WSN creado. Algunhas experiencias foron realizadas para demostrar a funcionalidade, a velocidade ea estabilidade do porto de conexión proposto, para uso nesta e out ros dominios de aplicación. Como parte das solucións propostas nesta tese, unha familia de protocolos chamados LP4S dando respostas rápidas proposta e permitir mecanismos de plug-and-play que permiten sistemas IDC telemetría descubrir novos nós e describir e automaticamente gravar os· sensores e actuadores conectados a un faro. LP4S-6 (por balizas recursoconstrangidos), LP4S-X (por balizas máis fortes) e LP4S-J (por balizas capaces de execución do firmware complexo): Por conseguinte, tres protocolos, dependendo das . características de hardware baliza definida. Para demostrar as capacidades de protocolos deseñados, as máis restritivas (LP4S-6) é probada tras a posta en marcha dunha solicitude de Eddystone baseada telemetría (formato aberto faro de Google) Beacon. Polo tanto, o faro especificación expande para aumentar a súa capacidade de xestionar cadros Eddystone. As experiencias mostran a viabilidade da solución proposta ea súa superioridade en canto a consumo de latencia e de potencia en comparación coas propostas baseadas no perfil de atributo xenérico (GATT) cando varios usuarios conectarse a un sensor intelixente ou escenarios onde a latencia non é unha restrición, pero onde o consumo de enerxía é esencial. baseado Teds virtuais (VTEDS) para o desenvolvemento de nós sensores intelixentes con plug-and-play para contribuír á evolución de Internet das Cousas (Internet das cousas) á Web of Things (WOT) cadro tamén se mostra. Nos protocolos leves sistema proposto, realizamos son usados para que os sensores son propio descrición, auto-calibración e auto-rexistrar automaticamente. Estes protocolos permiten o desenvolvemento de novas solucións IOT asegurando ao mesmo tempo baixa latencia, baixo consumo de enerxía ea QoS requiridos. Para avaliar o rendemento do sistema, eles sensores Bluetooth Low Energy (ble) foron utilizados e Ethernet en base a diferentes escenarios. En concreto, a experiencia do usuario é empiricamente cuantificados (é dicir, o quao rápido o sistema exhibe os datos recollidos a un usuario). Os resultados mostran que a arquitectura VTED proposta é moi rápido, porque algúns sensores intelixentes (situadas en Europa) poden auto-rexistro e auto-configurado nunha nube remota (en América do Sur) en menos de 3s e dos datos de visualización sensores para usuarios remotos en menos de 2 s. Por último, as tendencias da tecnoloxía para o desenvolvemento de sensores intelixentes no campo de Internet das cousas reais, dependendo das tecnoloxías e protocolos de comunicación, hardware, dispositivos multi-protocolo, sistemas operativos, ambientes de desenvolvemento en liña mostra e linguaxes de programación do firmware dos devanditos nodos de sensores. Todas as contribucións científicas desta tese son reftectidas no deseño dun proxecto de agricultura de precisión, para controlar o risco dunha plantación de bananas automatizado. O devandito proxecto aínda está en execución, a pesar dos progresos da súa execución móstranse no último capítulo.