Diseño e implementación de etapa de comunicación 6LoWPAN para redes de sensores inalámbricas

Jiménez Ruíz, Luis (2016). Diseño e implementación de etapa de comunicación 6LoWPAN para redes de sensores inalámbricas. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. Industriales (UPM).

Descripción

Título: Diseño e implementación de etapa de comunicación 6LoWPAN para redes de sensores inalámbricas
Autor/es:
  • Jiménez Ruíz, Luis
Director/es:
  • Portilla Berrueco, Jorge
Tipo de Documento: Proyecto Fin de Carrera/Grado
Grado: Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales
Fecha: Septiembre 2016
Materias:
Palabras Clave Informales: 6LoWPAN, IPv6, IEEE 802.15.4, red de sensores inalámbrica, etapa de comunicación, plataforma modular, IP, paquete, nodo, diseño.
Escuela: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Departamento: Automática, Ingeniería Eléctrica y Electrónica e Informática Industrial
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

Con la realización de este proyecto se pretende diseñar e implementar una etapa de comunicación, basada en el estándar 6LoWPAN, para una plataforma modular de redes de sensores inalámbricas. Se denomina red de sensores inalámbrica (WSN – Wireless Sensor Network), al conjunto de dispositivos autónomos, interconectados entre sí y distribuidos espacialmente en un entorno, capaces de tomar datos del medio, procesarlos y transmitirlos al resto de la red. En muchos casos, estos dispositivos son capaces tanto de captar información, como de actuar sobre el medio, es decir que además de sensores también pueden incluir actuadores. Los elementos que constituyen las redes de sensores inalámbricas se denominan nodos. Estos nodos, están formados principalmente por: una batería o elementos de conexión que aportan la alimentación, un microcontrolador que se encarga del procesamiento, un módulo que se ocupa de la comunicación con el resto de miembros de la red, un conjunto sensores y actuadores, además de todos los componentes que complementan a los principales y que son necesarios para el funcionamiento global. La utilización de plataformas modulares para constituir los nodos de las redes de sensores, permite situar a los elementos que componen estos nodos en distintos niveles o capas independientes: alimentación, procesamiento, comunicación y sensado/actuación. Cada una de esas capas se realiza por separado, integrando en ella los componentes que le permitan desempeñar su papel dentro del conjunto, posteriormente se unen todas las capas y dan lugar al nodo definitivo. Este trabajo se centra en el diseño e implementación de una capa de comunicación sobre una placa de circuito impreso (PCB), que incorpora el estándar 6LoWPAN, para una plataforma modular denominada Cookie desarrollada en el Centro de Electrónica Industrial de la Universidad Politécnica de Madrid. En el diseño, se incluye la elección de los componentes, que permiten desarrollar la funcionalidad deseada en la etapa, la interconexión entre ellos y su distribución en el espacio disponible de la placa. Mientras que la implementación, consta de la fabricación y el montaje de la placa, de su inclusión en el nodo y de las pruebas de evaluación. 6LoWPAN Con el objetivo de conectar las redes de sensores inalámbricas a Internet, el estándar 6LoWPAN combina el protocolo de Internet IPv6, con el estándar IEEE 802.15.4, que garantiza un bajo consumo energético, en las redes de sensores inalámbricas (Low Power Personal Area Networks). Ahora bien, el protocolo de Internet IPv6 ha sido diseñado para infraestructuras de Internet con un gran ancho de banda, ya que de forma general, estas no presentan limitaciones en los protocolos de red debido a su gran capacidad de almacenamiento, su gran potencia de procesamiento y la alta cantidad de energía que tienen a su disposición . En contraposición, los dispositivos que incluyen el estándar IEEE 802.15.4, están diseñados para aplicaciones con un flujo de datos muy bajo por lo que disponen de unos recursos muy limitados: memoria baja, capacidad de procesamiento muy reducida y consumo energético mínimo por lo que suelen tener una disponibilidad de energía baja. Para unificar estos dos estándares, IETF (Internet Engineering Task Force) ha desarrollado el estándar 6LoWPAN, que permite la transmisión de paquetes IP en redes basadas en el estándar IEEE 802.15.4. IETF lo ha conseguido introduciendo una capa de adaptación entre las capas de conexión (link-layer) y de red (network-layer), del modelo OSI y reestructurando el formato de los paquetes IPv6, para que la transmisión y procesamiento de los mismos sea mucho más sencilla y el consumo energético derivado mucho menor. El diseño ha constado de dos fases: una primera en la que se han elegido los componentes que forman parte de la placa y una segunda en la que se ha llevado a cabo el diseño del esquemático del circuito eléctrico, el conexionado y la distribución de los componentes en el espacio disponible. Con respecto a la selección de componentes, la decisión fundamental ha sido la del módulo de comunicación. Tras la realización de una búsqueda general y de sucesivos filtros y descartes se ha elegido el único módulo que cumplía con todas las especificaciones impuestas, y es el denominado ZWIR4512WIC1, fabricado por la empresa ZMDI. El módulo está acompañado de otros componentes electrónicos que complementan su funcionalidad y potencian sus características. Estos, son los encargados de: aportarle la energía necesaria para funcionar, establecer la conexión con el microprocesador, proporcionar un enlace directo entre usuario y módulo y amplificar las señales de comunicación que se quieren transmitir. Los componentes que acompañan al módulo en la capa de comunicación, siguiendo la filosofía de diseño de las Cookies, son los siguientes: conector izquierdo y conector derecho de intercomunicación entre placas, botones de Reset y Boot Select, pines JTAG, antena, conector SMA y conector USB. En cuanto al diseño esquemático, el conexionado y la colocación de los componentes en la placa, estos se han llevado a cabo con el programa Altium Designer. Con respecto a la arquitectura, las redes 6LoWPAN, están formadas por dos tipos de nodos: los nodos de rutado (similares a los nodos terminales, pero con capacidad de rutado) y los nodos router de frontera (Edge router). Los primeros pueden recibir y transmitir paquetes IP a cualquier otro miembro de la red. Los segundos, además de poder intercambiar mensajes con el resto de nodos de la red, permiten conectar la red inalámbrica con redes IP externas, como Internet. A diferencia de otros protocolos en los que son necesarios Gateways, complejamente configurados, para enlazar con redes IP, este nodo intermedio no precisa de ningún ajuste adicional, puesto que los paquetes de la red 6LoWPAN ya son IP. De esta forma, el nodo router de frontera actúa como un simple puente, que se encarga del rutado y direccionamiento de los paquetes generados en la red, a dispositivos de redes IP exteriores. Cabe destacar que si en la transmisión de un paquete entre dos nodos de la red 6LoWPAN, el nodo de destino no es alcanzable físicamente desde el nodo emisor, el mensaje puede pasar por nodos intermedios que sí sean alcanzables, llevando a cabo lo que se conocen como saltos en la red. Esto confiere a la red una morfología de malla, característica de las redes de sensores inalámbricas. Para transmitir y recibir los paquetes IP, los nodos de la red hacen uso del protocolo de Internet UDP (User Datagram Protocol). En cuanto al direccionamiento de los paquetes, los nodos 6LoWPAN creados disponen de dos alternativas. La primera es el direccionamiento Unicast, que permite enviar el mensaje a un único receptor. La segunda opción, es el direccionamiento Multicast, que permite enviar un mismo paquete a todos los miembros de la red, de forma simultánea. Tras la fabricación y el montaje de los componentes sobre la placa se han desarrollado y ejecutado una serie de pruebas, para analizar las prestaciones de los nodos y de las redes formadas a partir de ellos. Para todas las pruebas se han marcado los objetivos inicialmente, posteriormente se han diseñado los programas para alcanzarlos, y por último se han implementado dichos programas sobre los nodos y se han analizado los resultados obtenidos. Adicionalmente, se han realizado una serie de pruebas, para estudiar el alcance de las antenas integradas en la placa diseñada, tanto al aire libre como en un recinto cerrado. No solo para confirmar que el componente ha sido elegido adecuadamente, sino también para evaluar el diseño de la línea microstrip. Esta línea microstrip, se ha utilizado para transmitir la señal de la antena desde el módulo hasta el conector SMA. Una vez terminadas las pruebas y tras finalizar el proyecto se han obtenido una serie de conclusiones. En primer lugar, se confirma que los dispositivos con el estándar 6LoWPAN integrado, tienen la capacidad de formar redes inalámbricas, y dentro de ellas pueden intercambiar información con cualquier miembro de la red. Por otro lado, se concluye que los nodos de la red 6LoWPAN inalámbrica generada son capaces de intercambiar paquetes con formato IP, con ordenadores que formen parte de redes externas y que tengan conexión a Internet. Este es uno de los objetivos principales por los que se abordó este proyecto y se ha conseguido alcanzar. Con respecto a la extensión de una sola red, ha quedado demostrado, que depende además del número de nodos que formen parte de ella, del ambiente en el que se sitúe (cerrado o abierto), de las distancias entre nodos y de la potencia de transmisión de los paquetes. Por último, y también relacionado con la estructura de las redes, se ha confirmado la capacidad de los dispositivos creados, para formar redes de sensores inalámbricas con morfología en forma de malla.

Más información

ID de Registro: 43013
Identificador DC: http://oa.upm.es/43013/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:43013
Depositado por: Biblioteca ETSI Industriales
Depositado el: 23 Sep 2016 10:10
Ultima Modificación: 11 Oct 2016 16:31
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