Diseño y desarrollo de una red Inalámbrica de sensores para la creación de smart cities y su integración en la infraestructura pública de iluminación

Abstract

[ANGLÈS] The main goals of Smart Cities are to enhance the management of the energy resources of the city, control pollution levels and increase citizens quality of life. One technology that allows collecting data in order to achieve these objectives is Wireless Sensor Networks (WSN). The nodes in a WSN communicate to each other via radio and may be powered by batteries or by green power sources, which facilitates their deployment because no previous infrastructure is required. This work presents the design and development of a WSN that allows the creation of Smart Cities. The design process focuses on the integration of the sensor network with an innovative platform to manage the power energy of the city. This platform integrates different embedded services (WiFi access points, IP cameras, digital signal systems, LED information panels, intelligent measuring devices) in the lampposts of the public lighting infrastructure. Internet connectivity is provided by a PLC/BPL network, which converts the wires between lampposts into data wires. The platform also includes a remote data center based on cloud computing technology, where all data is stored and analyzed in order to take "intelligent" decisions. Lampposts are excellent emplacements to allocate WSN nodes. They provide protection against adverse weather conditions and vandalism, and nodes may be powered by the main power source. The problem of providing Internet connectivity to gateway nodes is also solved, because lampposts can obtain Internet access through power wires using PLC technologies. The software modules developed in this project allow reading periodic measurements from the sensors, processing the acquired data and transmitting the information via radio to a gateway node which acts out as a sink. Radio communications follow IEEE 802.15.4 standard and use the NST-AODV multihop routing protocol. Other features that have been implemented in the WSN are data aggregation and reprogrammation of nodes over the air (OTA). Finally, the gateway device, which provides IP connectivity, has the ability to encapsulate data from the sensors into JSON structures and transmit them through Internet to the remote management center.

[CASTELLÀ] Entre los principales objetivos de las smart cities figuran la mejora de la gestión de los recursos energéticos de la ciudad, la disminución de los niveles de contaminación y el aumento de la calidad de vida de la ciudadanía. Una de las tecnologías que permiten la recogida de datos para la consecución de estos objetivos son las redes inalámbricas de sensores (WSN, Wireless Sensor Networks). El hecho de que los nodos que forman estas redes se comuniquen vía radio y que puedan estar alimentados por baterías o por fuentes de alimentación renovables facilita su despliegue, ya que no es necesaria ninguna infraestructura previa. En este trabajo se ha diseñado y desarrollado una red inalámbrica de sensores para la creación de smart cities. Uno de los criterios que se han tenido en cuenta es que la red se pudiera integrar con una plataforma innovadora de gestión de energía de la ciudad. Esta plataforma integra distintos servicios embebidos (puntos de acceso WiFi, cámaras IP, sistemas de señalización digital, pantallas LED, mecanismos de medición inteligentes) en las luminarias de la infraestructura pública de iluminación. La conectividad con Internet se obtiene mediante una red de acceso BPL/PLC que se extiende a través del cableado eléctrico que une las distintas luminarias. La plataforma dispone de un centro de gestión remoto basado en tecnología cloud computing donde todos los datos, incluidos los de los sensores, son almacenados y analizados para la toma "inteligente" de decisiones. Las luminarias se presentan como una ubicación ideal para los nodos de una WSN, porque además de ofrecer protección frente a las condiciones de intemperie y de los actos vandálicos permiten que los nodos se puedan alimentar a través de la red eléctrica. Además, al disponer de acceso a Internet, se soluciona el problema que muchas veces supone el tener que dotar de conectividad IP al dispositivo gateway. La WSN resultante de este trabajo está basada en la plataforma comercial TelosB corriendo bajo el sistema operativo embebido TinyOS. Para la interconexión de estos dispositivos con los sensores que finalmente se ha decidido integrar, se ha utilizado la placa de conexiones auxiliar CBoard. En algunos casos, ha sido necesario diseñar e implementar circuitos adicionales para la conexión de los sensores con la placa auxiliar. Los sensores que se han elegido deberían permitir la implementación de diversos servicios relacionados con la gestión de los recursos de una ciudad. Los módulos software desarrollados permiten la lectura periódica de los sensores, el procesado de los datos adquiridos y su transmisión vía radio hasta un elemento gateway o sumidero. Las comunicaciones radio siguen el estándar IEEE 802.15.4 y se utiliza el protocolo de encaminamiento multisalto NST-AODV. Otras facilidades que se han incorporado al sistema son la agregación de datos y la reprogramación de nodos por el aire. El dispositivo gateway, que tiene conectividad IP, presenta la capacidad de encapsular los datos provenientes de los sensores en una estructura JSON y los puede transmitir, a través de Internet, a un centro de gestión remoto.

[CATALÀ] Entre els principals objectius de les smart cities destaquen la millora de la gestió dels recursos energètics de la ciutat, la disminució dels nivells de contaminació i l'augment de la qualitat de vida de la ciutadania. Una de les tecnologies que permet la recollida de dades per a l'assoliment d'aquests objectius són les xarxes de sensors sense fils (WSN, Wireless Sensor Networks). El fet que els nodes que formen aquestes xarxes es comuniquin via ràdio i puguin ser alimentats per bateries o per fonts d'alimentació renovables facilita el seu desplegament, ja que no es necessita cap infraestructura prèvia. En aquest treball s'ha dissenyat i desenvolupat una xarxa de sensors sense fils per a la creació d'smart cities. Un dels criteris que s'han tingut en compte és que la xarxa es pogués integrar amb una innovadora plataforma de gestió d'energia de la ciutat. Aquesta plataforma integra diferents serveis incrustats (embedded) (punts d'accés WiFi, càmeres IP, sistemes de senyalització digital, pantalles LED, mecanismes de medició intel·ligents...) en les lluminàries de la infraestructura pública d'il·luminació. La connectivitat amb Internet s'aconsegueix mitjançant una xarxa d'accés BPL/PLC que s'estén a través del cablejat elèctric que uneix les diferents lluminàries. La plataforma disposa d'un centre de gestió remot basat en tecnologia cloud computing on totes les dades, incloses les dels sensors, són emmagatzemades i analitzades per poder prendre decisions de forma "intel·ligent". Les lluminàries es presenten com una ubicació ideal per als nodes d'una WSN, ja que, a més d'oferir protecció davant de les condicions d'intempèrie i d'actes vandàlics, permeten que els nodes s'alimentin a través de la xarxa elèctrica. A més a més, al disposar d'accés a Internet, se soluciona el problema que moltes vegades suposa el fet d'haver de proporcionar connectivitat IP al dispositiu gateway. La WSN resultant d'aquest treball està basada en la plataforma comercial TelosB corrent sota el sistema operatiu incrustat TinyOS. Per a la interconnexió d'aquests dispositius amb els sensors que finalment s'ha decidit integrar, s'ha utilitzat la placa de connexions auxiliar CBoard. En alguns casos, ha estat necessari dissenyar i implementar circuits addicionals per a la connexió dels sensor amb la placa auxiliar. Els sensors que s'han escollit haurien de permetre la implementació de diversos serveis relacionats amb la gestió dels recursos de la ciutat. Els mòduls software desenvolupats permeten la lectura periòdica dels sensors, el processament de les dades adquirides i la seva transmissió via ràdio fins a un element gateway o receptor. Les comunicacions ràdio segueixen l'estàndard IEEE 802.15.4 i s'utilitza el protocol d'encaminament multisalt NST-AODV. Altres facilitats que s'han incorporat al sistema són l'agregació de dades i la reprogramació de nodes per l'aire. El dispositiu gateway, que té connectivitat IP, presenta la capacitat d'encapsular les dades provinents dels sensors en una estructura JSON i els pot transmetre, a través d'Internet, a un centre de gestió remot.