Proyecto SMEPP: Redes inalámbricas de sensores y sistemas peer-to-peer empotrados. Aplicación en la industria nuclear

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1 Proyecto SMEPP: Redes inalámbricas de sensores y sistemas peer-to-peer empotrados. Aplicación en la industria nuclear J. Serrano, R. J. Caro, E. Cabrera, F. González Tecnatom, S.A. M. Díaz Universidad de Málaga Sinopsis Los avances recientes en comunicaciones inalámbricas y sistemas empotrados están generando nuevas soluciones tecnológicas para sistemas distribuidos. Entre ellas destacan las redes de sensores y la aplicación de la tecnología entre pares o peer-topeer (P2P) a los sistemas empotrados, lo que da lugar a un nuevo concepto de comunicaciones denominado P2P empotrado (embedded P2P o EP2P). Conceptos similares están siendo adoptados en la industria nuclear por grupos de investigación como Sandia National Laboratorios [SAN04], Los Alamos National Laboratory [MIE05], EPRI [EPR06, EPR07], etc. y en proyectos concretos como el de Remote Monitoring System for radiation protection de EDF, en el ámbito de ALARA (As Low As Reasonably Achievable) y de la mejora de respuesta en emergencias radiológicas. En esta línea de investigación, y promovido por una colaboración entre TECNATOM S.A. y la Universidad de Málaga, el proyecto SMEPP, financiado por la Comisión Europea dentro del programa IST del 6º Programa Marco, tiene como objetivo desarrollar una nueva plataforma software ( middleware ) para programar sistemas EP2P. Este middleware será seguro, genérico y configurable, permitiendo su adaptación a diferentes dispositivos (desde PDAs y teléfonos móviles a sensores y actuadores industriales) y diferentes dominios de aplicación. Para demostrar su versatilidad se desarrollarán dos aplicaciones en los dominios de Teledosimetría y Monitorización Ambiental en Instalaciones Nucleares y el de Sistemas de Teleasistencia.

2 INTRODUCCIÓN La combinación de las tecnologías de redes de sensores junto con las comunicaciones entre pares está dando lugar a nuevos sistemas distribuidos con múltiples posibilidades en numerosos ámbitos [BON07]. Las Redes de Sensores (RDS) [CUL 04] son una forma de computación distribuida donde se despliegan multitud de sensores (pequeños, de bajo coste y bajo consumo, comúnmente llamados motas ) en un entorno. Estos sensores se comunican de forma inalámbrica para enviar información adquirida sobre fenómenos físicos (temperatura, humedad, radiación, etc.). Por otro lado, la tecnología P2P [STE05] está apareciendo como una alternativa a la arquitectura tradicional cliente-servidor en nuevos dominios, especialmente en aplicaciones que se ejecutan en sistemas empotrados, dando lugar a un nuevo tipo de comunicaciones denominado embedded peer-to-peer (EP2P). PROYECTO SMEPP El proyecto SMEPP ( está financiado por la Comisión Europea dentro del programa IST del 6º Programa Marco. Los socios en el proyecto son: Universidad de Málaga España (Coordinador) TECNATOM España Telefónica I+D España VTT Finlandia SIEMENS Alemania Universidad Técnica de Graz Austria Universidad de Pisa Italia I2R - Singapur Objetivos El proyecto SMEPP tiene como objetivo desarrollar una nueva plataforma software ( middleware ) para programar sistemas EP2P. Este middleware será seguro, genérico y configurable, permitiendo su adaptación a diferentes dispositivos (desde PDAs y teléfonos móviles a sensores y actuadores industriales) y diferentes dominios de

3 aplicación. Para demostrar su versatilidad se desarrollarán dos aplicaciones en los dominios de Teledosimetría y Monitorización Ambiental en Instalaciones Nucleares (desarrollado por TECNATOM) y Sistemas de Teleasistencia (desarrollado por Telefónica I+D). Para alcanzar estos objetivos tan genéricos, se han establecido cuatro áreas de objetivos: Modelo abstracto de interacción y servicios Arquitectura e infraestructura del middleware Seguridad Aplicaciones Estado actual El plazo del proyecto es de 36 meses y comenzó el 15 de Septiembre de Hasta la fecha, se han generado entregables en los paquetes de trabajo relativos a requisitos, modelos de interacción, arquitectura de software y seguridad. Actualmente se está comenzando la fase de implementación del middleware así como el diseño de las aplicaciones. A continuación describimos brevemente los avances obtenidos en cada paquete de trabajo: Requisitos: En el paquete de trabajo 1 se han realizado tres entregables: Un informe sobre estado del arte y requisitos genéricos para el middleware sobre EP2P, un análisis de posibles ataques a la seguridad en sistemas EP2P y una recolección y análisis de requisitos de las dos aplicaciones. Dentro de este análisis de requisitos se han propuesto diferentes escenarios (ver Figura 1) y se han elaborado prototipos de las aplicaciones para validar los requisitos propuestos y descubrir nuevas necesidades y detectar problemas potenciales. Modelos de interacción: En este paquete se está trabajando en la definición de un modelo de servicios y el desarrollo de herramientas de soporte que incluyen un generador de código y un analizador. Arquitectura: Este paquete de trabajo está construyendo una familia de arquitecturas basadas en componentes a partir de los requisitos establecidos en el paquete 1.

4 Seguridad: Dentro de este paquete de trabajo ya se ha elaborado una lista de posibles modelos de amenazas para sistemas EP2P y se está trabajando en la definición de los servicios y protocolos de seguridad que estarán disponibles a través del middleware. Tony Douglas Steam generator Peter PDA Dosimeter PDA Zigbee? USB? RS232? Dosimeter WiFi PC WiFi Ethernet/WiFi Figura 1. Escenario de la aplicación de teledosimetría Demostrador de la aplicación de Teledosimetría Dentro del paquete de requisitos se está elaborando un prototipo o demostrador de concepto para las dos aplicaciones con el objetivo de detectar posibles dificultades y aspectos imprevistos y poderlos incorporar en el diseño de la aplicación final. En el caso de la aplicación de teledosimetría y monitorización ambiental, TECNATOM está desarrollando junto con el grupo de Ingeniería del Software (GISUM) del departamento de Lenguajes y Ciencias de la Computación de la ETSI Informática de la Universidad de Málaga un sistema basado en la distribución de sensores ambientales (temperatura, presión, humedad) junto con dispositivos medidores de radiación en una zona controlada. Estos sensores están conectados a pequeños módulos inalámbricos denominados motas. Se ha desarrollado un pequeño software que permite a trabajadores dentro de la zona controlada así como a supervisores fuera de ella acceder a la información radiológica de la zona y de los trabajadores a través de una PDA o de un ordenador personal.

5 Figura 2. "Motas" y PDA utilizados en el demostrador de concepto APLICACIÓN EN EL ENTORNO NUCLEAR TECNATOM, como miembro del proyecto SMEPP y líder del paquete de trabajo de Requisitos de aplicaciones y middleware, es responsable de la especificación y desarrollo de una aplicación de Teledosimetría y Monitorización Ambiental para instalaciones nucleares. Los objetivos generales de esta aplicación desde el punto de vista del proyecto son, por un lado la demostración de la aplicabilidad de estas tecnologías a un caso concreto y exigente- y por otro, la obtención de requisitos realistas derivados del análisis de una aplicación a un caso real. El objetivo particular desde el punto de vista de la aplicación concreta es obtener una herramienta que ponga de manifiesto las ventajas que pueden aportar estas tecnologías frente al estado del arte actual. A este respecto hay que decir que aunque en Estados Unidos están ya extendidas las tecnologías cliente-servidor inalámbricas [WIC05], las tecnologías en competencia en el entorno nuclear europeo son aún las arquitecturas-cliente servidor basadas en Ethernet cableado [LUN04]. Por ello, aunque el campo de posibilidades es muy amplio[ant05],[lin04], se ha decidido el desarrollo de esta aplicación, tanto por las nuevas capacidades que la tecnología SMEPP va a aportar a esta área, como por el renovado interés que ésta posee para Tecnatom y la industria nuclear. La aplicación a desarrollar esta basada en una red de sensores que medirán las condiciones ambientales y dosimétricas tanto en el interior como en el entorno exterior próximo a la planta (ver Figura 3).

6 2,7 m Sv 2,7 ms v Figura 3. Red integrada y ubicua de Sensores de variables radiológicas y ambientales Mediante el uso de la tecnología SMEPP esta aplicación ofrecerá características nuevas en este tipo de sistemas que no existían en el mercado hasta ahora: Integración de las medidas de dosímetros, monitores de área y de proceso, así como de sensores en el exterior de la planta. Integración de variables radiológicas con otras de interés (temperatura, humedad, etc.). Integración de medidas de variables e interactividad con los trabajadores mediante audio/video. Integración de otras características innovadoras como identificación avanzada de personal y dispositivos (reconocimiento de huella digital, RFID) Integración con sistemas de información de planta, procedimientos, etc. Sistemas tolerantes a fallos (ej: caída de sala de control de parada) Seguridad mejorada. Escalabilidad. Además del Demostrador de Concepto ya descrito, se definen una serie de escenarios relacionados con situaciones concretas de desarrollo de trabajos en entornos radiactivos en Centrales Nucleares; en operación normal y en situación de parada que van a ayudar

7 a definir la especificación de requisitos, proporcionando una referencia para la valoración de las ventajas respecto de las tecnologías actuales y constituirán una primera validación de los resultados obtenidos. Los cuatro escenarios definidos contemplan situaciones de alarmas radiológicas, cambios de turno, fallos de nodos e incidentes de planta. La aplicación final debe contemplar dos restricciones muy importantes y características del Sector Nuclear: Las consideraciones relacionadas con las posibles interferencias con equipos relacionados con la Seguridad Nuclear y la ya referida Seguridad Informática [SMA04]. No obstante la concreción de la aplicación propuesta, necesaria para la obtención de resultados, las posibilidades de estas tecnologías inalámbricas, seguras, empotradas y p2p, son muchas [ANTO05]. Se puede mencionar, sin ánimo de ser exhaustivos, algunas aplicaciones dentro de las Centrales como el Mantenimiento Predictivo o la Ubicación del Personal, aplicaciones en el entorno de las Centrales como el Control del Impacto Ambiental o la Gestión de Emergencias, o aplicaciones en otras instalaciones del ciclo. Para terminar mencionamos otros campos, relacionados con la medida de radiaciones, en los que las características de la tecnología permitirán multitud de aplicaciones, como el control de fronteras, la vigilancia de eventos, la actuación frente a atentados (Bombas sucias, tráfico de materiales radiactivos) o diversas aplicaciones militares. Conclusiones y Resultados esperados Dentro del proyecto SMEPP se está desarrollando una plataforma de software ( middleware ) para programar sistemas empotrados con comunicaciones entre pares. Se han definido los requisitos y el modelo de interacción de dicho middleware y se está comenzando su implementación y el diseño de dos aplicaciones que validarán dicho middleware. Estas aplicaciones están enfocadas en el ámbito de la teleasistencia en sistemas domésticos y de la teledosimetría y control ambiental en instalaciones nucleares. Dentro del trabajo de captura de requisitos se ha elaborado un prototipo de ambas aplicaciones. En el caso de la aplicación de teledosimetría se está trabajando con sensores ambientales y de radiación conectados a módulos inalámbricos de pequeñas dimensiones. Se espera que la aplicación final ofrezca nuevas características que no

8 estaban disponibles hasta ahora como integración de medidas ambientales y radiológicas, interacción con los trabajadores y nuevas prestaciones en seguridad. Referencias [ANT05] C.E. Antonescu Assessment of Wireless Technologies and Their Application at Nuclear Facilities NUREG/CR-6882 ORNL/TM-2004/317, Jul [EPR06] EPRI Project Demonstration of Wireless Technologies for Plant Applications [EPR07] EPRI Project Assessment of Wireless Communications for Advanced T&D Automation [BON07] Boncz, P. et al: Working Group Summary: P2P, Ad Hoc and Sensor Networks - All the Different or All the Same? Dagstuhl Seminar Proceedings Scalable Data Management in Evolving Networks. [CUL 04] D. Culler; D. Estrin, M. Srivastava: Overview of Sensor Networks IEEE Computer, Agosto [LIN04] R. Lin Wireless Sensor Networks Solutions for real Time Monitoring of Nuclear Power Plant National Laboratory of Industrial Control Technology, Institute of Modern Control Engineering, Zhejian University, China, Jun 2004 [LUN04] M.P. Lunn Control of occupational exposure using remote monitoring systems, British Energy Genetration Ltd. Sizewell B Power Station, United Kingdom, [MIE05] A. Mielke et al. Independent Sensor Networks, IEEE Instrumentation & Measurement, Junio 2005 [SAN04] Sandial National Laboratories Hybrid Emergency Radiation Detection Network: minimize radiation risks after an attack, USA, June 2004 [SMA04] H. Smartt Wireless networking and its application in Nuclear safeguards, International Security Programs, Sandia National Laboratories, USA, 2004 [STE05] Ralf Steinmetz, Klaus Wehrle (Eds). Peer-to-Peer Systems and Applications. ISBN X, Lecture Notes in Computer Science, Volume 3485, Sep 2005 [WIC05] K. Wicker Wireless monitoring making inroads, Power Magazine, Azima, Jun 2005.