Análisis de la simulación de dispositivos, circuitos y sistemas electrónicos para Internet de las cosas (IoT)

Abstract

Internet de las Cosas (IoT) es un concepto surgido en las últimas décadas que promete revolucionar el mundo y la tecnología tal y como la conocemos. Su funcionamiento se basa en la interconexión de todos los objetos a través de Internet, de manera que sean unívocamente identificables y puedan comunicarse.
La materia prima de IoT son los datos. Estos datos son recogidos y enviados por una multitud de dispositivos interconectados y, posteriormente, procesados para obtener provecho de los mismos. Las tecnologías que sostienen IoT son variadas, pero dado el carácter electrónico del enfoque de este documento, se han estudiado con más detalle las tecnologías que se encargan de recoger datos, concretamente las redes de sensores inalámbricas (WSN). Las redes de sensores inalámbricas son sistemas formados por dispositivos autónomos distribuidos espacialmente que, con un mínimo consumo de energía, son capaces de comunicarse y transmitir datos sensados. Los dispositivos que forman estas redes reciben el nombre de nodos. Las funciones que debe cumplir cada nodo independiente se pueden clasificar en cuatro bloques: alimentación, procesamiento, sensado y comunicación. Debido a la gran cantidad de nodos que puede albergar una red, la construcción de un banco de pruebas para WSN puede resultar laboriosa y cara y realizar los experimentos reales en dicho banco suele ser difícil y costoso, además de conllevar tiempo de trabajo. Por ello, la simulación por ordenador se torna importante en el estudio y desarrollo de WSN en el ámbito de IoT. Existen numerosos simuladores de WSN basados en sistemas de eventos discretos (DES), así como trabajo realizado en esa línea. Pese a que este tipo de simuladores suele incluir simulación de consumo energético, dada la naturaleza de los mismos, este se computa únicamente en el suceso de un evento en vez de simularse como un proceso continuo. Por ello, en este TFG se pretende explorar la simulación de sistemas IoT en simuladores electrónicos de señal mixta, enfocados en mayor medida a la simulación de consumo de energía que los anteriores.
Con este fin se ha realizado el modelo de un nodo de WSN en VHDL-AMS, lenguaje de descripción hardware para sistemas analógicos y de señal mixta. Para el modelado se ha tomado como referencia la plataforma hardware Cookies, desarrollada en el Centro de Electrónica Industrial de la Universidad Politécnica de Madrid, cuya principal característica es la modularidad.
Un nodo de Cookies se compone de capas independientes con funcionalidad específica. Se ha realizado un modelo en VHDL-AMS para cada una de ellas (alimentación, procesamiento, comunicación y sensado). Se realizaron modelos de consumo parametrizables, con la intención de que el usuario de los modelos pudiese adaptarlos a las especificaciones concretas de una red.
La capa de alimentación está compuesta por tres reguladores de corriente continua. Para la realización de su modelo comportamental se tomaron las pertinentes medidas experimentales de tensiones e intensidades con el fin de simular de una manera realista las caídas de tensión que pudiesen aparecer a la salida de la capa de alimentación, puesto que esto podría repercutir sobre el consumo global de un nodo.
Los modelos de las capas de sensado, procesamiento y comunicación basan su consumo en una demanda de intensidad variable según el estado de funcionamiento de la capa.
Si bien para las capas de procesamiento y sensado se realizaron modelos plenamente parametrizables, en la capa de comunicación entraron en juego protocolos de comunicación para el envío de mensajes. En consecuencia, hubo que decantarse por un protocolo de acceso al medio concreto para realizar las simulaciones y, por tanto, ajustar el modelado. Se optó por un protocolo CSMA no persistente que se implementó para una topología de red en estrella. Se realizó un modelo del medio de comunicación y un modelo de un nodo coordinador, encargado de la recepción de los mensajes del resto de nodos.
Debido a la gran cantidad de nodos que suelen tener las redes de WSN, se quiso observar la respuesta de las simulaciones ante un elevado número de nodos. A tal efecto, se llegaron a realizar simulaciones con un total de veintiséis nodos sensores que se comunicaban con un nodo coordinador.
Como conclusión de las simulaciones obtenidas y del proceso de modelado y realización del trabajo podemos decir que se ha conseguido simular una red de sensores con un número considerable de nodos y que la simulación del consumo de energía con VHDL-AMS en el campo de Internet de las Cosas resulta bastante precisa. Por contra, la dificultad del modelado de las comunicaciones puede hacer que la falta de un modelo lo suficientemente exacto haga que la precisión obtenida por el empleo de un simulador de señal continua pueda verse mermada.