Desarrollo de una herramienta digital para cuantificar la demanda postural en juegos de Wii-Fit

Transcripción

1 Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Eléctrica Desarrollo de una herramienta digital para cuantificar la demanda postural en juegos de Wii-Fit Por: Danelia Molina Carranza Ciudad Universitaria Rodrigo Facio, Costa Rica 30 de julio de 2013

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3 Desarrollo de una herramienta digital para cuantificar la demanda postural en juegos de Wii-Fit Por: Danelia Molina Carranza IE-0499 Proyecto eléctrico Aprobado por el Tribunal: Dr. Ing. Juan Luis Crespo Mariño Profesor guía M.Sc. Pietro Scaglioni Solano Profesor lector Ing. Mauricio Espinoza Bolaños Profesor lector

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5 Resumen El presente proyecto contiene todos los aciertos y desaciertos encontrados en el camino hacia el desarrollo de una herramienta digital para cuantificar la demanda postural en juegos de Wii Fit. Consta de cuatro capítulos. El primero de ellos es la introducción, por lo que abarca una descripción general, objetivos y metodología. El segundo capítulo es la sección de antecedentes, aspectos básicos que deben saberse antes de iniciar con el desarrollo de la herramienta en sí. En él se definen algunos conceptos de kinesiología, el más importante es el del Centro de Presión, ya que la totalidad de la investigación se basa en la obtención de este parámetro. También se brinda una breve introducción a los juegos de Wii Fit y al periférico base de los juegos y el proyecto: la Wii Balance Board. Este apartado finaliza evaluando las características de filtrado que según la literatura, reciben los datos que han sido recolectados desde una computadora, provenientes de la WBB. El tercer capítulo es el que condensa la mayor parte del trabajo realizado. Consta de dos subsecciones: la primera de ellas dedicada a documentar todo lo que se investigó e implementó, pero cuyos resultados no fueron los deseados; la segunda subsección es la que detalla de qué forma se obtuvo la solución al problema planteado. Ambas se muestran al final en un esquema resumen. Finalmente, se incluye un cuarto capítulo de conclusiones y recomendaciones. En él se destaca el alto potencial de la WBB como herramienta de investigación, así como la efectividad a la hora de obtener sus datos a través de una computadora; en este caso, para obtenerlos simultáneo al juego de Wii Fit, fueron necesarias dos plataformas. v

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7 Índice general Índice de figuras Índice de cuadros Nomenclatura viii viii ix 1 Introducción Descripción general Objetivos Metodología Antecedentes Definiciones preliminares Juego Wii Fit Filtros Desarrollo de la herramienta Opciones consideradas Solución implementada Esquema resumen Conclusiones y recomendaciones 29 Bibliografía 31 vii

8 Índice de figuras 2.1 CoP desde una aplicación en MATLAB Carátula del juego Wii Fit Fotografía de una consola Wii Fotografía de un Wiimote Fotografía de una WBB Bluetooth dongle Belkin utilizado Dolphin Configuración de Wiimote y Balance Board Menú de ejercicios de Wii-Fit Algunos juegos de Wii Fit Ubertooth One Interfaz inicial de Wireshark Bluetooth Dongle USBBT Fabricante del chipset: Broadcom Esquema resumen Índice de cuadros 2.1 Filtros y frecuencias de corte utilizadas en la literatura Características de los sujetos Resultados de la variación de CoP en la postura El árbol Resultados de la variación de CoP en el juego de Snowboard Resultados de la variación de CoP en el juego de Ski Slalom Resultados de la variación de CoP en el juego de Cabeceos, Resultados de la variación de CoP en el juego de Cabeceos, viii

9 Nomenclatura CoP CSR DFU EEPROM HID IPC RMS ROM SDK WBB Center of pressure (centro de presión). Cambridge Silicon Radio. Device Firmware Update (actualización del firmware del dispositivo). Electrically Erasable Programmable Read Only Memory (ROM programable y borrable eléctricamente). Human Interface Device (dispositivo de interfaz humana). Interprocess Communication (comunicación entre procesos). Root Mean Square (valor cuadrático medio). Read Only Memory (memoria de solo lectura). Software Development Kit (kit de desarrollo de software). Wii Balance Board (plataforma de balance de Nintendo Wii). ix

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11 1 Introducción 1.1 Descripción general El centro de presión (CoP) es usado como una medida de estabilidad en bípedos, y según Stephens (2007) es un punto de referencia que está presente en casi todos los proyectos con humanoides. Al ser un componente importante del balance estático, también diversos profesionales en campos de ingeniería médica han trabajado con él. Por ejemplo, Tortolero et al. (2007) aseguran que es posible predecir cuándo una persona dará un paso basándose únicamente en las mediciones del CoP, y estos resultados podrían utilizarse junto con diminutos sensores ubicados en las plantillas de los zapatos, para en un futuro cercano, integrar un sistema de lazo cerrado en una neuroprótesis. Por otro lado, Dillon et al. (2011) utilizan el CoP como referencia para la creación de prótesis parciales para los pies. Considerando que existen investigaciones previas, que validan la plataforma de balance de Nintendo Wii (WBB) como una herramienta confiable para obtener mediciones del centro de presión (Clark et al., 2010), se estableció en primera instancia una etapa de investigación para determinar la mejor forma de obtener los datos que la plataforma envía a la consola, sin que esto interfiriera con el juego. Posteriormente se desarrolló la herramienta en sí. En este proyecto se abarcó solamente la parte ingenieril, es decir, la forma de capturar los datos que envía la plataforma por Bluetooth durante el juego, procesarlos y desplegarlos al usuario final en un formato cómodo de analizar e interpretar, pero sin brindar ningún tipo de diagnóstico. Es decir, se presenta el recurso para que el personal adecuado pueda estudiar y analizar si los juegos de Wii Fit, efectivamente son de provecho para distintas poblaciones. Por ejemplo, si el uso frecuente en adultos mayores resulta en una mejoría de la estabilidad postural tanto estática como dinámica, o bien, si su uso en niños resulta en un mejor desarrollo del control motor. 1.2 Objetivos Objetivo general Desarrollar una herramienta capaz de calcular los movimientos del CoP simultáneo a alguno de los juegos de Wii-Fit. 1

12 2 1 Introducción Objetivos específicos Realizar un estudio del estado del arte relativo a las características y potencialidades de la WBB como medio de obtención de información relativa al CoP. Obtener inalámbricamente los datos enviados por la plataforma para poder calcular la posición instantánea del centro de presión. Poder visualizar los movimientos del CoP, en las distintas actividades realizadas durante los juegos de Wii-Fit. 1.3 Metodología El proyecto inicia planteando los objetivos y todo el trabajo realizado se basa en qué hacer y de qué forma para alcanzarlos. En este proyecto se consideraron dos grandes fases: investigación e implementación. Aun cuando en la etapa de implementación nunca se dejó de investigar, sí es importante recalcar que el primer paso fue analizar el universo de posibilidades y a partir de ahí escoger qué rumbo tomar. En esta investigación preliminar, se descubrió que el principal obstáculo a vencer radica en obtener para dos aplicaciones distinas (los juegos de Wii-Fit y la aplicación para calcular el CoP) los mismos datos, considerando que la WBB envía estos datos vía Bluetooth. Partiendo de este hecho, se continuó con el proceso de investigación y con los resultados obtenidos se plantearon las dos grandes opciones consideradas: emular el juego en una computadora (para poder prescindir de la consola) o bien, idear una forma de capturarlos mientras se juega de manera habitual con la plataforma y la consola. Dichas opciones fueron desarrolladas en paralelo, es decir, no se prefirió una o la otra, sino que se procuró trabajar en ambas simultáneamente, para ir observando pros y contras de cada una. Para emular, fue necesario instalar los requisitos previos y posteriormente el emulador en sí. Posteriormente se enfrentaron ciertos inconvenientes, dado que el emulador no ofrecía soporte oficial para el manejo de la WBB. Superado este detalle, se procedió a evaluar el desempeño del emulador con los juegos de Wii Fit y luego vino la etapa de obtención de los datos. Lo cual se detalla en la sección respectiva. Para la captura de los datos, se consideraron diversos analizadores de protocolos y se investigó de qué manera estos podían ser implementados para cumplir con el objetivo propuesto. Dadas las circunstancias descritas en la sección correspondiente, debió desecharse esta idea y buscar una nueva solución.

13 1.3. Metodología 3 Agotadas las opciones consideradas inicialmente, debió plantearse una nueva forma de obtener los datos. Se contempló entonces la posibilidad de utilizar dos plataformas y se procedió a efectuar las pruebas necesarias para validar esta solución.

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15 2 Antecedentes 2.1 Definiciones preliminares A continuación se mencionan algunos conceptos que son relevantes para este proyecto. Postura: describe la orientación de cualquier segmento del cuerpo respecto al espacio. Es una medida angular respecto a la vertical (Winter, 1995). Balance: es un término genérico que describe la dinámica de la postura corporal para prevenir caídas. Se relaciona con las fuerzas inerciales actuando en el cuerpo y las características inerciales de los segmentos del cuerpo (Winter, 1995). Centro de Presión: corresponde al punto de localización del vector de las fuerzas verticales de reacción del suelo. Representa el promedio de todo el peso que está en contacto con la superficie del piso. Con una sola plataforma sólo se puede calcular el CoP neto, se requieren dos plataformas para cuantificar los cambios del CoP en cada pie. La localización del CoP bajo cada pie es el reflejo directo del control neural de los músculos de tobillo (Winter, 1995). Durante el desarrollo de este proyecto, se hizo uso de un importante recurso: el proyecto realizado por Kary y Huang (2011), el cual a su vez hace uso de la librería WiiLab creada por el Dr. Aaron Striegel, la cual permite manejar desde MATLAB la WBB. Dicha aplicación permite capturar los movimientos del CoP, deplegarlos en tiempo real e incluso guardarlos para su posterior análisis. Además, el CoP es visualizado como un punto, el cual aumenta su tamaño conforme aumenta la masa de la persona que esté sobre la WBB, es decir, para sujetos livianos se tendrán puntos pequeños y para sujetos pesados se tendrán puntos más grandes. El plano cartesiano simula el área de la plataforma, por lo que los movimientos que la persona realice se verán reflejados en él, y en la esquina superior izquierda es posible observar la magnitud del par ordenado (x,y) que representa los valores del CoP en X y Y, respectivamente. Se brinda además la masa en kg percibida por cada sensor, y sumando los cuatro se obtiene la masa total del sujeto. Si se 5

16 6 2 Antecedentes desea guardar la información, se presiona el botón Start Recording y el usuario podrá manejar manualmente el tiempo, o bien, predefinirlo de antemano en la casilla dedicada a esto. Una vez finalizada la toma de datos, al presionar el botón Show results se mostrará en el plano cartesiano la trayectoria recorrida a lo largo de la medición, además se actualizarán los valores Range y Mean que representan la distancia total recorrida por el CoP y su promedio, respectivamente. A manera de ejemplo, se muestra en la figura 2.1 una captura del CoP para un sujeto de 66,49 kg, con un leve desplazamiento en -X y -Y. Figura 2.1: CoP desde una aplicación en MATLAB En general, el equilibrio es un sistema complejo que involucra los sistemas vestibular, visual y somatosensorial para lograr los objetivos del movimiento en las actividades diarias y deportivas. Las investigaciones sugieren que son muchas las actividades que contribuyen a un balance óptimo, y entender cómo se controla el equilibrio, ayuda a comprender cómo evaluarlo a través de distintas herramientas (Deans, 2011). 2.2 Juego Wii Fit Según la página oficial de Nintendo Wii Fit Plus (Nintendo, 2007), este juego fue creado para divertirse y hacer ejercicio al mismo tiempo, y el público meta no tiene ninguna acotación de edad. Las actividades a realizar incluyen ejercicios de tonificación para los músculos, aeróbicos para quemar calorías,

17 2.2. Juego Wii Fit 7 yoga para mejorar la postura y otros juegos de equilibrio. La carátula de juego se muestra en la figura 2.2. Figura 2.2: Carátula del juego Wii Fit Para poder jugar Wii Fit, el usuario requiere de una consola Wii (mostrada en la figura 2.3), un Wiimote, que es el mando principal de la consola (se muestra en la figura 2.4) y un periférico adicional llamado Wii Balance Board, el cual se ve externamente como se muestra en la figura 2.5. Tanto la WBB como el Wiimote, son dispositivos inalámbricos y la tecnología que usan para comunicarse con la consola es el estándar Bluetooth. La WBB opera de manera similar al Wiimote, como un dispositivo HID; y el nombre que reporta es Nintendo RVL-WBC-01. Cuenta con cuatro sensores de presión de 16 bits junto con los datos necesarios para permitir conversiones a medidas de masa (WiiBrew, 2013). Los sensores están ubicados uno en cada esquina, sobre un pedazo de duraluminio y muy cercanos a la superficie. Cuando se aplica fuerza a la superficie, este material se dobla y este doblez es lo que indica cuánta fuerza está siendo aplicada; sin embargo, la deformación es tan leve, que es casi imperceptible a simple vista, por ejemplo, una masa de 100 kg provocaría un doblez de 0.1 mm, pero es lo suficientemente preciso como para detectar hasta 500 g (Sate, 2008).

18 8 2 Antecedentes Figura 2.3: Fotografía de una consola Wii Figura 2.4: Fotografía de un Wiimote

19 2.3. Filtros 9 Figura 2.5: Fotografía de una WBB 2.3 Filtros Se sabe que los instrumentos son propensos al ruido y que este a su vez puede afectar significativamente las mediciones. Una forma de eliminar el ruido de las plataformas consiste en filtrar los resultados, esto para excluir aquellos puntos que podrían no ser parte de los verdaderos datos (Deans, 2011). Clark et al. (2010) mencionan que con una inspección preliminar de las características tiempo-frecuencia de los datos, es posible apreciar ruido de alta frecuencia que contamina la señal, y esto ocurre no sólo con la WBB, sino incluso con las plataformas de fuerza profesionales. Ahora bien, existen muchos tipos de filtros. Cómo escoger el óptimo para esta aplicación? Cuál es la frecuencia de corte ideal? Como parte de este proyecto se realizó una investigación sobre esta temática, buscando artículos cuyos datos hayan sido provenientes de una WBB, o bien, involucren mediciones para calcular el CoP. Posteriormente, qué tipo de procesamiento recibieron los datos, si fueron o no filtrados, y en caso de serlo, qué tipo de filtros fueron usados y cuáles fueron las frecuencias de corte más utilizadas. Esto con el fin de conocer cómo es la etapa posterior a la obtención de los datos. De acuerdo con la información recopilada en el cuadro 2.1, es importante que la aplicación guarde los datos crudos, ya que 4 de los 7 autores decidieron no filtrar los datos; sin embargo, los que sí lo hicieron, aplicaron filtros But-

20 10 2 Antecedentes Cuadro 2.1: Filtros y frecuencias de corte utilizadas en la literatura. Referencia Filtro utilizado Frecuencia de corte [Hz] Salavati et al. (2009) Butterworth, 6 o orden 10 Clark et al. (2010) Butterworth, 8 o orden 12 Gómez et al. (2011) - - Kalisch et al. (2011) - - Dutta et al. (2012) - - Duclos et al. (2012) Butterworth, 4 o orden 10 Koslucher et al. (2012) - - terworth pasa-bajas pero de distinto orden, con frecuencias de corte de 10 ó 12 Hz. Pero Por qué se escogió el filtro Butterworth? La razón es que según Reyes (2009) este es el filtro básico con respuesta más plana en la banda de paso y posee además una caída aguda en la frecuencia de corte, a razón de 20n db/dec, donde n es el orden del filtro. Esto quiere decir, que eliminará el ruido en la banda de paso y al aumentar su orden, aumenta la pendiente en la frecuencia de corte. Como el orden del filtro tiene que ver con el número de polos de la función de transferencia, elevar el orden del filtro implica aproximarlo más a una respuesta ideal. Ahora, MATLAB es una herramienta muy poderosa para el análisis y procesamiento de los datos, si decidiera utilizarse este software, el comando a utilizar es [B,A] = butter(n,wn, low ), donde N es el orden del filtro y Wn una frecuencia normalizada a un valor entre 0 y 1, donde un 1 corresponde a la mitad de la frecuencia de muestreo. Esto implica que la máxima frecuencia de corte, sería la mitad de la frecuencia a la cual fueron muestreados. Por ejemplo, si los datos se muestrearon a 40 Hz, la frecuencia de corte debe ser menor o igual a 20 Hz. Pero este criterio establece solamente una cota superior. De la información recopilada es posible deducir que el filtro Butterworth es el ideal para este tipo de procesamiento de datos, pero no existe un procedimiento rígido para elegir el orden y la frecuencia de corte del filtro a implementar, sino que estos parámetros varían de acuerdo con la forma en fueron obtenidos los datos, y el usuario deberá ajustar el filtro a las necesidades propias de su aplicación. Por ejemplo, Salavati et al. (2009) filtran los datos con frecuencias de corte variando desde 1 Hz hasta 20 Hz, y con análisis estadísticos determinaron que la frecuencia de corte que establece un mejor compromiso entre la atenuación del ruido y la conservación de la señal, son los 10 Hz. Por su parte, Clark et al. (2010) deciden filtrar a 12 Hz ya que una de sus pruebas tiene un contenido en frecuencia ligeramente mayor que el de

21 2.3. Filtros 11 Salavati et al. (2009), por lo que amplían la banda de paso porque ese es su ajuste óptimo. Finalmente, cabe mencionar que algunos de los parámetros estadísticos usados por Salavati et al. (2009) para tomar su decisión, fueron el error RMS, gráficas con análisis residuales y desviación estándar.

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23 3 Desarrollo de la herramienta Ante el problema propuesto se plantearon inicialmente dos posibles soluciones: la primera de ellas consistió en emular el juego en la computadora, ya que esto suprime el hecho de tener que utilizar la consola; la segunda buscó, por medio de un software y hardware específico, capturar los datos que la plataforma envía a la consola. En ambas propuestas se tuvo aciertos y desaciertos, los cuales se comentan en la sección 3.1; sin embargo, ninguna de estas logró satisfacer el objetivo propuesto, por lo que tuvo que recurrirse a utilizar dos plataformas: una para comunicarse con la consola y otra para la aplicación que calcula el CoP, tal como se detalla en la sección Opciones consideradas Emulador Dolphin Dolphin Emulator (2013) es un emulador multiplataforma de Gamecube y Wii, el cual puede correr la mayoría de juegos en Windows, Mac OSX o Linux. Los juegos se pueden reproducir en calidad HD y esta característica no está disponible en las actuales consolas. Es importante recalcar que es un proyecto de código abierto, por lo que cualquier persona puede tanto utilizar las versiones ya hechas, como participar en el desarrollo de las mismas. Ahí se encuentran los archivos y la información necesaria para instalar la aplicación y jugar los mismos juegos de Wii que se reproducen en la consola. Dolphin permite al usuario utilizar tanto los Wiimotes como los Nunchucks, y es posible conectar hasta cuatro Wiimotes. Debido a que estos controles se comunican con la consola vía Bluetooth, no suelen haber inconvenientes a la hora de conectarlos con la computadora. Si la computadora tiene Bluetooth, se pueden conectar directamente, sino, es necesario utilizar un Bluetooth dongle. En caso de carecer de Wiimotes, Dolphin permite configurar el teclado de la manera deseada, para emular el funcionamiento del Wiimote. Dado que los objetivos de este proyecto giran en torno a los juegos de Wii Fit y para ellos es indispensable la WBB, es necesario contar con una plataforma real, ya que no hay manera de emular este periférico. En el momento de realización de este proyecto, Dolphin no soportaba la WBB, por lo que se estableció contacto vía correo electrónico con el Ing. Matthew Parlane (uno 13

24 14 3 Desarrollo de la herramienta de los desarrolladores de Dolphin) quien personalmente se encargó de darle soporte a la WBB tanto para Linux como para Windows. Para esta y las demás pruebas realizadas durante el desarrollo de este proyecto, se utlizó una laptop Sony VAIO (modelo VPCEB3TFX), la cual posee un procesador x64, Intel Core 2,40 GHz; sin embargo, para obtener mejores resultados la página oficial de Dolphin recomienda Intel i5 Sandy o Ivy Bridge o superior (i7). Las pruebas de emulación se realizaron con el sistema operativo Windows 8 Pro. Y en vista de que la laptop utilizada carece de bluetooth, se utilizó un Bluetooth dongle marca Belkin, modelo F8T012xx1, el cual se muestra en la figura 3.1. El driver del dongle Windows lo instala automáticamente, y tanto la plataforma como el Wiimote deben agregarse como dispositivos en el Panel de Control. Figura 3.1: Bluetooth dongle Belkin utilizado En este caso, tener un Wiimote no es estrictamente necesario, ya que quien realiza las funciones escenciales durante el juego es la plataforma. Entonces, si se encuentra disponible se utiliza, pero si no, se puede emular sin que esto afecte el desempeño durante el juego. Una vez conectados los dispositivos (WBB y/o Wiimote) a la computadora, se procede a abrir el emulador, el cual es un archivo.exe. La interfaz inicial se muestra en la figura 3.2. A partir de esta interfaz, se da click en el botón Wiimote, el cual desplegará la ventana mostrada en la figura 3.3. En este caso, se utilizará un Wiimote real y claramente, una plataforma. Hechas estas configuraciones se presiona Ok.

25 3.1. Opciones consideradas 15 Figura 3.2: Dolphin Una vez configurados el Wiimote y la WBB, se procede a abrir un.iso del juego que debe estar previamente guardado en algún directorio conocido. Las imágenes desplegadas son idénticas a las mostradas cuando se juega con la consola. La figura 3.4 muestra el menú de ejercicios disponibles, mientras que en la figura 3.5 se puede apreciar un juego de cada categoría. Cabe resaltar que no todos los juegos están disponibles, pero con los existentes es posible realizar ejercicios representativos. Ahora bien, el correcto funcionamiento del emulador es sólo la primera parte, el paso siguiente es la obtención de los datos reportados por los sensores. La hipótesis inicial planteaba que como la plataforma se estaba comunicando únicamente con la computadora, se iba a ser posible manejar tanto el emulador como la aplicación para calcular el CoP simultáneamente, obteniendo ambas los mismos datos; sin embargo, a la hora de hacer las pruebas se descubrió que esto no es posible, ya que una vez conectada la plataforma al emulador, ninguna otra aplicación es capaz de detectarla, o viceversa, si se conecta la plataforma a alguna aplicación, el emulador no la encuentra. La solución a este inconveniente sería implementar un socket. Barranco (1996) define este concepto como un mecanismo de comunicación entre proce-

26 16 3 Desarrollo de la herramienta Figura 3.3: Configuración de Wiimote y Balance Board sos que permite que un proceso emita o reciba información con otro proceso incluso estando en distintas máquinas. Para este caso concreto, se debe implementar una variante denominada IPC socket, cuyo propósito es intercomunicar diversos programas dentro de una misma computadora. Ahora bien, el emulador es una aplicación pesada y para su funcionamiento ideal requiere de una máquina muy potente; si a esto se le agrega que la misma debe manejar además del emulador, el socket y la aplicación para calcular el CoP, se estaría hablando de costosos recursos de hardware. Continuar por este camino limitaría el uso de la herramienta, ya que la misma tendría

27 3.1. Opciones consideradas 17 Figura 3.4: Menú de ejercicios de Wii-Fit un mal desempeño en computadoras que carezcan de robusta capacidad de procesamiento. Se descarta entonces esta opción, y se prosigue investigando e intentando con nuevas alternativas. Analizadores de protocolos Los analizadores de protocolos o de red (también conocidos como sniffers) son herramientas muy útiles para los administradores de las redes de computadoras, pues permiten analizar detalladamente muchos factores propios del comportamiento de las mismas. Con alguna de estas aplicaciones, es posible capturar una copia de los paquetes que circulan por la red y analizarlos posteriormente (Santonja et al., 2005). Como en este caso específico, los paquetes que se requieren capturar son los que la WBB envía a la consola por Bluetooth, y el Bluetooth es una tecnología utilizada en muchos dispositivos que reciben y transmiten datos confidenciales, la obtención de estos paquetes no es trivial, ya que si lo fuera, muchos atacantes se aprovecharían de esta debilidad para capturar información confidencial; sin

28 18 3 Desarrollo de la herramienta [a] [b] [c] Figura 3.5: Imágenes de uno de los juegos de cada categoría. [a] La posición El árbol, de Yoga. [b] El ejercicio Single Leg de Muscle Workouts. [c] El juego Hula Hoop de Aerobic Exercises. [d] El juego Table Tilt de Balance Games. [d] embargo, existen diversos analizadores de protocolos, tanto comerciales como de uso libre y en esta sección se citan algunos de los que fueron contemplados durante la realización de este proyecto. Ubertooth One Project Ubertooth (2011) es una plataforma de desarrollo inalámbrica de 2,4 GHz, adecuada para la experimentación con Bluetooth. Ubertooth One reemplaza a Ubertooth Zero, y su arquitectura permite tanto transmitir como recibir datos. Tanto el software como el hardware son open source, por lo que en la documentación oficial se encuentran todas las guías necesarias para su uso. El hardware se puede construir o comprar, y el precio oscila en los $120 USD, lo cual es por mucho más accesible que una herramienta comercial, como por ejemplo el BPA 600 Dual Mode Bluetooth Protocol Analyzer de Frontline, que es el modelo que reemplaza al FTS4BT. Frontline es de los pocos fabricantes de Bluetooth sniffers, pero adquirir uno de estos dispositivos,

29 3.1. Opciones consideradas 19 implica tener la capacidad de pagar varios miles de dólares. El Ubertooth One puede apreciarse en la figura 3.6, y si bien es cierto su precio es razonable, se contiuó en busca de una solución más económica. Figura 3.6: Ubertooth One Wireshark Wireshark es una importante referencia en cuanto a analizadores de protocolos. Es utilizado tanto en industrias como en instituciones educativas, y otra importante característica es que es multiplataforma: puede correr en Windows, OS X, Ubuntu, Solaris, FreeBSD y otros (Wireshark, 2013); sin embargo, algunas funcionalidades varían dependiendo del sistema operativo. Harris (2010) presenta un cuadro donde presenta los tipos de red soportados en cada plataforma, y del mismo se desprende que el Bluetooth sólo está disponible para Linux. Se instaló entonces Wireshark en Ubuntu LTS, en la misma computadora descrita en la sección 3.1. Cabe mencionar, que para poder analizar paquetes es necesario contar con permisos de administrador, por lo que una opción para abrir el programa, es digitar en la terminal el comando sudo./wireshark, desde la carpeta donde se encuentra el ejecutable de Wireshark (se puede acceder a ella digitando el comando cd /usr/bin ). Como resultado de estas acciones, se abre la interfaz de Wireshark, la cual se muestra en la figura 3.7, y en la cual es posible apreciar que el Bluetooth no aparece dentro de la lista de interfaces disponibles para capturas. En la búsqueda de requisitos para poder capturar tráfico de Bluetooth desde Wireshark, se encontró que según McFarlane (2011) este protocolo está parcialmente implementado, y requiere de libpcap (o superior). Libpcap es una librería para capturar tráfico de red, y la versión fue lanzada en el 2008, se descargó entonces la última versión estable (4.4.0) se instaló y se volvió a correr Wireshark con esta nueva librería, pero los resultados no variaron de los anteriores.

30 20 3 Desarrollo de la herramienta Figura 3.7: Interfaz inicial de Wireshark Creación de un sniffer a partir de un Bluetooth dongle Spill y Bittau (2007) trabajaron en lo que resultó el primer Bluetooth sniffer de carácter open source. Considerando que el Bluetooth envía cada paquete a una frecuencia diferente, y esta cambia 1600 veces en un segundo, capturar estos paquetes sin ser el destinatario oficial, no es una tarea trivial. Posteriormente, Moser (2007) analiza 4 dongles comerciales, todos con el mismo chipset de de Cambridge Silicon Radio (CSR) concluyendo que el Bluetooth sniffing no es una cuestión de hardware costoso, sino de software y firmware. Después de que estas investigaciones fueron publicadas, se pueden encontrar en diversas páginas y foros en internet, procedimientos para convertir un Bluetooth dongle convencional en un sniffer. A continuación, se describe el método publicado por Elifson (2008) en uno foro de la página SolidShellSecurity. El primer aspecto a considerar, es el chipset del Bluetooth dongle. Este componente es fundamental para poder crear el sniffer, y hay dos fabricantes principales: Broadcom y CSR. Los de Broadcom son más baratos y por tanto muchos fabricantes los usan, pero no son adecuados para el fin buscado. Luego, no es suficiente con que el chipset sea de CSR, ya que de esta marca hay varios modelos: Bluecore2-ROM/EXTERNAL (BC2-ROM,BC2-EXT)

31 3.1. Opciones consideradas 21 Bluecore3-ROM/EXTERNAL (BC3-ROM,BC3-EXT) Bluecore4-ROM/EXTERNAL (BC4-ROM,BC4-EXT) Nótese que cada modelo tiene dos versiones: ROM y EXT. El chipset ROM, como sugiere su nombre, tiene una memoria de solo lectura, por lo tanto no funciona ya que el contenido no puede ser alterado. La versión EXT posee una memoria EEPROM, lo que implica que el contenido del chip se puede modificar utilizando una computadora para alterar el firmware. Después, es posible descargar gratuitamente el firmware alternativo en el formato de un archivo DFU, y en Linux existe el comando dftool. Esta herramienta open source, permite tanto respaldar el firmware original, como cargarle el nuevo firmware al dongle. Entonces, una vez realizadas estas modificaciones en teoría el dongle ya está listo para capturar los datos, lo que equivale a haberle activado el modo promiscuo. Con estos conocimientos, la siguiente etapa era comprar un Bluetooth dongle y realizarle las modificaciones descritas. Pero el dongle a comprar debía cumplir con el requisito del chipset del CSR. Ahora, Cómo saber qué chipset tiene determinado dongle? Esta información no suele ser suministrada por el fabricante, pero con un sistema operativo de Linux y la librería BlueZ, es posible averiguarlo. El problema evidente es que este método requiere comprar el dongle. Se decidió entonces realizar una búsqueda de dongles, con el fin de encontrar modelos que de antemano se supiera que tenían un chipset de CSR. Dicha búsqueda posee el inconveniente de que las fuentes no son oficiales, es decir, las referencias no son de los fabricantes, sino de personas que han comprado estos aparatos y publican los resultados obtenidos. En un foro de la página BinRev, Moreau (2008) publicó una lista con 9 dongles que en teoría poseen el chip BlueCore4-Ext. Los modelos mencionados se buscaron en sitios de compras por internet, pero dado que la lista no es reciente, al parecer no todos siguen estando disponibles en el mercado. De los que estaban disponibles, el que pareció más favorable fue el modelo USBBT100, de la marca Linksys. Se compró dicho aparato, y puede apreciarse en la figura 3.8. Con el dongle en mano, lo primero fue verificar el fabricante del chipset. Para esto, se abrió la terminal en Ubuntu y se digitó el comando hciconfig -a. El lamentable resultado se muestra en la última línea de la figura 3.9. Según el mismo Moreau (2008) explica en su publicación, la imposibilidad de crear sniffers con chipsets de Broadcom radica en que este fabricante no brinda los mismos accesos que CSR. El chip BlueCore4 tiene un SDK y mucha documentación, lo que hace más sencillo modificar los dongles. Considerando que la inversión hecha fue insatisfactoria, y que no hay forma de saber a priori si una futura compra tendrá el mismo resultado, se descartó

32 22 3 Desarrollo de la herramienta Figura 3.8: Bluetooth Dongle USBBT100 Figura 3.9: Fabricante del chipset: Broadcom. también esta opción. Planteando entonces la solución descrita en la sección 3.2.