5 Motes: compuestos de una placa principal, que incluye un transceptor radio y una unidad de procesamiento, y una placa con sensores.

Transcripción

1 ANEXO A. ENTORNO DE DESARROLLO ANEXO A ENTORNO DE TRABAJO. A lo largo de este Anexo, realizaremos una breve descripción de las herramientas propuestas para la implementación futura del proyecto. Se analizará por un lado, el equipo adquirido y, por otro, las distintas aplicaciones y herramientas software necesarias para el procesamiento de la información. 1 Hardware. Como se ha comentado en el capítulo 3, hemos escogido un equipo de la empresa Crossbow Technology Inc. para implementar la aplicación, concretamente el Professional Kit. Este kit incluye los siguientes dispositivos: 5 Motes: compuestos de una placa principal, que incluye un transceptor radio y una unidad de procesamiento, y una placa con sensores. 1 Placa programadora: se emplea para programar la unidad de procesamiento de la placa principal de cada mote. 1 Gateway: compuesto de una placa principal conectada a una placa programadora cuya función es actuar de puente entre la red de sensores y un PC o servidor. 81

2 LOCALIZACIÓN EN INTERIORES USANDO REDES INALÁMBRICAS DE SENSORES 1 Tarjeta de adquisición de datos: permite integrar otros sensores comerciales en la red. 1 Placa principal adicional: tarjeta radio con un diseño distinto a la que incorporan los motes pero con las mismas características. 1.1 Placa principal. Los motes se comunican entre sí usando el canal radio, enviando y recibiendo mensajes a una determinada frecuencia. Los componentes necesarios para la comunicación entre motes, se encuentran integrados en un chip OEM 4 modelo MPR2600. Este módulo pertenece a la familia MICAz, dispositivos que trabajan a una frecuencia de 2.4 GHz, compatibles con el estándar IEEE y utilizados en redes inalámbricas de sensores. La Figura 16 muestra la placa principal de los nodos conectada a la alimentación. El módulo MPR2600, emplea como transceptor radio el Chipcon CC2420 de Texas Instrument e integra el microcontrolador de 8 bits ATmega128L de Atmel, el cual dispone de una memoria flash programable interna de 128 KB. Además, los nodos disponen de una memoria flash externa de 512 KB para la programación vía OTAP 5 o para almacenar datos muestreados del entorno. En la Figura 17 se representa el diagrama de bloques de la placa principal. Por otra parte, la placa dispone de tres leds accesibles por el usuario que pueden usarse a modo de bandera a la hora de depurar código o simplemente para informar de algún evento. Figura 16. MPR2600-MICAz 4 Original Equipment Manufacturer (OEM): compañía que ensambla y vende componentes fabricados por otras empresas como si hubiesen sido fabricados por ella. 5 Over-The-Air-Programing (OTAP): técnica inalámbrica de programación de nodos. JOSÉ CARLOS REYES GUERRERO 82

3 ANEXO A. ENTORNO DE DESARROLLO Para garantizar un correcto funcionamiento del transceptor, es necesario que la tensión de alimentación se encuentre dentro del rango V. Esta tensión puede proporcionarse bien mediante dos baterías tipo AA usando el conector Molex de dos pines, o bien mediante el conector de 51 pines usando la placa de programación conectada al puerto USB del PC. Figura 17. Diagrama de bloques del MPR2600 El transceptor utilizado es compatible con el estándar IEEE y ha sido diseñado expresamente para aplicaciones de baja potencia y reducidos niveles de tensión de alimentación. Utiliza una modulación O-QPSK (Offset Quadrature Phase Shift Keying) con pulsos semisinusoidales y una tasa efectiva de transmisión de 250 Kbps. Además, se realiza un ensanchamiento de espectro por secuencia directa con un factor de ensanchado de 9 db. De acuerdo con el estándar , se dispone de 16 canales para la comunicación con un ancho de banda de 5MHz cada uno. Estos canales se encuentran numerados del 11 al 26, siendo el canal 11 el correspondiente a la frecuencia GHz y el 26 el correspondiente a GHz. Asimismo, la potencia de transmisión de los motes es programable, oscilando en un rango entre 0 dbm y -25 dbm. La Tabla 2 muestra las distintas potencias de transmisión disponibles junto a su código de selección y al correspondiente consumo de corriente: 83

4 LOCALIZACIÓN EN INTERIORES USANDO REDES INALÁMBRICAS DE SENSORES Tabla 2. Potencias de transmisión del CC2420 Para una información más detallada sobre las características de la placa principal puede consultarse [41]. 1.2 Placa de sensores. El Professional Kit contiene en cada mote una placa de sensores, conectada a la placa principal a través del conector Molex de 51 pines, que permite medir variables del entorno. En la Figura 18 se aprecia la placa de sensores incluida en el kit. El modelo en cuestión es el MTS400CA y dispone de los siguientes sensores [42]: Sensor de humedad y temperatura. Sensor de presión barométrica y temperatura. Sensor de luz. Acelerómetro de dos ejes. Figura 18. Placa de sensores MTS400CA 1.3 Placa programadora. Conectada al PC mediante un puerto USB, la función de la placa es programar cada uno de los motes a través del conector de 51 pines usando un JOSÉ CARLOS REYES GUERRERO 84

5 ANEXO A. ENTORNO DE DESARROLLO procesador integrado en la placa (ISP, In System Programmer). Para ello, se descarga el código de la aplicación en el ISP a través del puerto USB y, a continuación, se programa el nodo. Para el desarrollo de la aplicación se ha empleado el modelo MIB520CB, el cual se muestra en la Figura 19. El diagrama de operación de la placa programadora se representa en la Figura 20. Figura 19. Tarjeta de programación MIB520CB. Cuando conectamos una placa de programación al PC, éste establece dos puertos serie virtuales, N y N+1, a través de los cuales se comunicará con la placa. El puerto N se utiliza en la etapa de programación de los nodos y el N+1 para la comunicación con el PC. Figura 20. Diagrama de operación. 1.4 Estación base (Gateway). La estación base está compuesta por una placa principal conectada a una placa de programación. Su función es actuar como nexo de unión entre la red inalámbrica de sensores y el PC. La estación base se muestra en la Figura 21. Tanto la placa principal como la placa de programación son iguales a las empleadas en la comunicación y en la programación de los motes, respectivamente. Por lo tanto, al conectar la estación base al PC se crearán otros dos puertos serie virtuales, X y X+1, donde X se emplea para programarla y X+1 para la comunicación con el PC. 85

6 LOCALIZACIÓN EN INTERIORES USANDO REDES INALÁMBRICAS DE SENSORES Figura 21. Estación base 1.5 Tarjeta de adquisición de datos. La tarjeta de adquisición de datos se emplea como una plataforma general de medida para conectar a la red distintos tipos de sensores. Además, incluye un sensor de humedad y otro de temperatura. Su diseño se observa en la Figura 22. Figura 22. Tarjeta de adquisición de datos MDA300CA Dispone de 11 canales de entrada para señales analógicas y diferenciales y otros 6 para señales digitales. Estos últimos pueden usarse como pines digitales de entrada/salida. Asimismo, dispone de tres pines que proporcionan 5V, 3.3V y 2.5V respectivamente para, por ejemplo, poder excitar sensores externos [42]. 2 Software. Las principales herramientas software necesarias para el desarrollo de la aplicación de localización son, por un lado, los sistemas operativos Ubuntu 8.04 y TinyOS 2.1 y, por otro, los lenguajes de programación nesc y Java. JOSÉ CARLOS REYES GUERRERO 86

7 ANEXO A. ENTORNO DE DESARROLLO 2.1 TinyOS. TinyOS es un sistema operativo de código abierto diseñado específicamente para redes inalámbricas de sensores. Se caracteriza por tener una arquitectura orientada a componente, lo que facilita una rápida implementación a la vez que se minimiza código, siendo este último un factor a destacar debido a las limitaciones de memoria de este tipo de redes. La librería de componentes de TinyOS incluye protocolos de red, servicios distribuidos, drivers de sensores y herramientas de adquisición de datos ya configurados para ser usados, aunque también es posible modificarlos para desarrollar aplicaciones específicas. TinyOS no es un sistema operativo en el sentido tradicional, es un entorno de programación para sistemas integrados que permite diseñar sistemas operativos con funciones específicas dentro de cada aplicación. La finalidad de este sistema de programación es asegurar que el código correspondiente a cada aplicación sea lo menor posible. Además, TinyOS no posee un sistema de archivos, soporta únicamente asignación de memoria estática, implementa un modelo de tareas simple y minimiza el nivel de abstracción. TinyOS presenta un modelo de programación codificado en lenguaje nesc. Al igual que otros sistemas operativos, TinyOS se organiza en capas, de modo que la capa más baja es la más cercana al nivel hardware, mientras que cuanto más alto es el componente más próximo se encuentra a la aplicación [43]. La estructura de directorios de TinyOS es la siguiente [44]: /apps: incluye distintas aplicaciones de ejemplo de programación en TinyOS. /support : contiene el código fuente del Toolchain. /tos : se subdivide en los directorios: /chips /interfaces: almacena las interfaces provistas por los componentes primitivos y las aplicaciones de ejemplo. /lib: contiene componentes e interfaces del sistema y de las distintas plataformas soportadas por TinyOS. /platforms: almacena los ficheros necesarios para la ejecución en distintas plataformas. 87

8 LOCALIZACIÓN EN INTERIORES USANDO REDES INALÁMBRICAS DE SENSORES /sensorboard: incluye ficheros específicos de cada placa sensora. /system: contiene los componentes primitivos que proporciona TinyOS. /types: incluye los tipos que se usan en las primitivas de TinyOS. Una aplicación en TinyOS es un conjunto de componentes que interactúan entre sí, siendo cada uno de ellos una entidad funcional. Existen tres conceptos fundamentales relacionados con la comunicación entre componentes: los comandos, los eventos y las tareas. Los comandos y los eventos son mecanismos empleados en la comunicación entre componentes, mientras que una tarea se utiliza en operaciones concurrentes dentro de un mismo nodo. Un comando es, por lo general, una solicitud de un servicio a otro componente, por ejemplo, la lectura de un sensor. Un evento sería, siguiendo con el ejemplo anterior, una señal de respuesta indicando que se ha completado el servicio solicitado. Los eventos pueden también producirse de manera asíncrona por interrupciones hardware o por la llegada de mensajes. Los comandos y los eventos, en lugar de realizar su función en el preciso instante de la llamada, pueden aplazar su ejecución usando las tareas. Las tareas, a diferencia de los comandos y los eventos, son funciones que no se ejecutan en el instante de la llamada sino que son ejecutadas por el planificador de TinyOS posteriormente. 2.2 NesC. NesC [43] es un lenguaje estructurado orientado a componente y diseñado específicamente para sistemas integrados, como por ejemplo, las redes de sensores. La sintaxis de nesc es similar a la de C y define un modelo de concurrencia basado en tareas y en manejadores de eventos hardware. Asimismo, es capaz de detectar condiciones de carrera durante el proceso de compilación. El modelo de concurrencia emplea dos hilos durante la ejecución de una aplicación: las tareas y los manejadores de eventos hardware. Las tareas son funciones cuya ejecución es postergada, pero que una vez iniciada su ejecución no se detienen hasta completarse. Los manejadores de eventos hardware también se ejecutan hasta el final pero, a diferencia de las tareas, sí pueden generar interrupciones en la ejecución de otra tarea o manejador. Debido a que las tareas y los manejadores pueden ser interrumpidos durante su ejecución por otro código asíncrono, los programas en nesc son susceptibles de sufrir condiciones de carrera. Para evitar estas situaciones, nesc utiliza declaraciones atómicas. JOSÉ CARLOS REYES GUERRERO 88

9 ANEXO A. ENTORNO DE DESARROLLO El lenguaje nesc es una extensión de C diseñada para abarcar el modelo de ejecución de TinyOS. Se muestran a continuación los conceptos fundamentales relacionados con nesc/tinyos: Aplicación: consiste en uno o más componentes ensamblados (wired) que forman un programa ejecutable. Componente: constituyen el bloque básico para las aplicaciones escritas en nesc. Existen dos tipos de componentes: módulos y configuraciones. Por otra parte, un componente puede a su vez, proporcionar y usar interfaces. Módulo: componente que implementa una o más interfaces. Configuración: componente que ensambla a otros componentes, conectando las interfaces usadas por algún componente a las interfaces provistas por otros. Es lo que se conoce como wiring. La idea es que pueda desarrollarse una aplicación como un conjunto de módulos, uniendo éstos mediante una configuración dada. Toda aplicación en nesc está descrita por una configuración, conocida como configuración de alto nivel, que especifica los componentes de la aplicación y las interfaces que provee y usa cada uno. Interfaz: se emplea para proporcionar una definición de la interacción de dos componentes. En nesc las interfaces son bidireccionales. Para que un componente pueda llamar a los comandos de una interfaz, debe implementar los eventos de dicha interfaz. Un único componente puede solicitar o proveer múltiples interfaces y múltiples instancias de la misma interfaz. Las interfaces son el único punto de acceso de un componente. 2.3 Java. Java es un lenguaje de programación orientado a objetos desarrollado por Sun Microsystems a principios de los años 90. El lenguaje en sí mismo toma mucha de su sintaxis de C y C++, pero tiene un modelo de objetos más simple y elimina herramientas de bajo nivel, como la manipulación directa de punteros o memoria. Las aplicaciones Java están típicamente compiladas en un bytecode 6, a diferencia de lenguajes como C o C++ que generan un fichero ejecutable durante la compilación. Java es, por tanto, un lenguaje interpretado. 6 Fichero binario que contiene el código máquina generado por el compilador e interpretado por una máquina virtual. 89

10 LOCALIZACIÓN EN INTERIORES USANDO REDES INALÁMBRICAS DE SENSORES Además de las anteriores, podemos mencionar como características fundamentales de Java su robustez, simplicidad y la capacidad de programación multihilo [45]. 2.4 Ubuntu. Ubuntu es un sistema operativo de código abierto basado en la distribución 7 Debian GNU/Linux. Es una distribución relativamente reciente ya que fue creada en 2004 por el sudafricano Mark Shuttleworth. Está patrocinada por la empresa Canonical Ltd. y tiene como objetivo la facilidad y la libertad de uso, los lanzamientos regulares (cada 6 meses) y la sencillez en la instalación [46]. En este proyecto se ha empleado la versión con soporte técnico de larga duración (LTS) Ubuntu 8.04: Hardy Heron. Ubuntu, al igual que la mayoría de distribuciones GNU/Linux, tiene como sistema de archivos predeterminado el sistema ext3, a diferencia del sistema NTFS empleado por los sistemas operativos Windows de los últimos años. Asimismo, el gestor de ventanas predeterminado es GNOME y el formato de los paquetes software es, por ser una distribución basada en Debian, de extensión deb. 7 Variante del sistema operativo GNU/Linux que incorpora determinados paquetes software para satisfacer las necesidades de un grupo específico de usuarios. JOSÉ CARLOS REYES GUERRERO 90