https://doi.org/10.37815/rte.v34n3.951

Artículos originales

Algoritmo para el monitoreo de estructuras lineales a
gran escala

Algorithm for
monitoring large-scale linear structures

Leonardo Vera Sánchez1 https://orcid.org/0000-0002-5823-0461,

Carlos Egas Acosta1  https://orcid.org/0000-0002-3540-9768

1Escuela Politécnica Nacional, DETRI, Quito, Ecuador

[email-masked], [email-masked]

Enviado:         2022/07/02

Aceptado:       2022/09/16

Publicado:
2022/11/30

Resumen

Se presenta el diseño de un algoritmo que opera a
nivel de enlace para sincronizar los nodos que forman parte de una topología
lineal multisalto, con el objetivo de que los nodos puedan transmitir y recibir
tramas en un mismo intervalo de tiempo y evitar la utilización de protocolos a
nivel de red para tener conectividad de extremo a extremo. Para comprobar la
validez del algoritmo se implementó un prototipo de red con topología lineal
que utiliza el protocolo IEEE 802.15.4. El algoritmo se ejecuta en cada nodo de
la red. Para ello, se calculó el intervalo de tiempo en el cual los nodos deben
estar activos para que todos los nodos que forman parte de la topología lineal multisalto puedan trasmitir los datos de monitoreo al
nodo frontera en el mismo intervalo de tiempo. Las pruebas se realizaron en
varios escenarios en los cuales uno o varios nodos transmiten sus datos y se
comprobó que los estos se activan simultáneamente para operar en modo activo. A
partir de los resultados se validó el funcionamiento algoritmo el cual
proporciona una herramienta para la creación de aplicaciones asociadas con el
monitoreo de infraestructura lineales.

Palabras
clave: nodos,
sensores, enlace, energía, inalámbrico.

Abstract

Sumario: Introducción, Trabajos relacionados, Metodología, Resultados,
Discusión y Conclusiones.

Como citar: Vera, L. & Egas, C. (2022).
Algoritmo para el monitoreo de estructuras lineales a gran escala. Revista
Tecnológica - Espol, 34(3), 58-71. http://www.rte.espol.edu.ec/index.php/tecnologica/article/view/951

The design of an algorithm that operates at the link level to
synchronize the nodes that are part of a multi-hop linear topology is
presented. The objective is that the nodes can transmit and receive frames in
the same time interval and avoid the use of protocols at the network level to
have end-to-end connectivity. To verify the effectiveness of the algorithm, a
prototype network with a linear topology using the IEEE 802.15.4 protocol was
implemented. The algorithm is executed in each node of the network. Therefore,
the time interval in which the nodes must be active was calculated so that all
nodes that are part of the multi-hop linear topology can transmit the
monitoring data to the border node in the same time interval. The tests were
performed in several scenarios in which one or several nodes transmit their
data and it was verified that the nodes are activated simultaneously to operate
in active mode. Based on the results, the algorithm performance was validated
and provides a tool for the creation of applications associated with linear
infrastructure monitoring.

Keywords: nodes, sensors, link,
energy, wireless.

Introducción

Las redes inalámbricas de sensores (WSN) basadas en el protocolo IEEE
802.15.4 (Alkama & Bouallouche-Medjkoune, 2021) tienen el
reto de satisfacer los requerimientos de nuevas aplicaciones que
demandan nodos sensores que operen con baterías (Eghonghon Ukhurebor et al., 2021). Al funcionar
los nodos operan con baterías, es necesario optimizar el consumo de energía de
los nodos con el propósito de que puedan operar
por largos períodos de tiempo, lo cual
incentiva a los investigadores para desarrollar nuevas  tecnologías que permitan disminuir el consumo
de energía (Shruti et al., 2019) ocasionado por la transmisión y recepción de
datos y por el procesamiento de los datos en el nodo.

En la actualidad, los esfuerzos por disminuir el consumo de energía
están enfocados a minimizar su consumo por procesamiento en los nodos con
nuevos protocolos de red, transporte y aplicación (Al Imran et al., 2020), debido a
que, en redes inalámbricas de sensores, replicar la arquitectura de
internet es imposible por la baja capacidad de cálculo que tienen estos nodos.

Por otra parte, no existe una única arquitectura de red para las redes
inalámbricas de sensores que operan con el protocolo IEEE 802.15.4. Es por esta
razón que, en la actualidad, existen protocolos
como 6lowPAN (Chen
et al., 2011), Zigbee (Agarwal, 2015), ISA100 (Raptis et al., 2020) y
Wireless HART (Luo et al., 2021) que operan en diferentes arquitecturas. Otra
manera de optimizar el consumo de energía por procesamiento en el nodo es con
arquitecturas propias para cada aplicación,
solución que es realizada por los fabricantes, lo que crea sistemas
propietarios de redes inalámbricas de sensores.

Una de las aplicaciones en las que se puede utilizar las redes inalámbricas
de sensores que operan con el protocolo IEEE 802.15.4 es el monitoreo de
oleoductos, tuberías de agua, carreteras, túneles etc., lo cual da lugar a
estructuras lineales. En la mayoría de los casos, para el monitoreo de
estructuras lineales a gran escala que requieren cientos de nodos se utilizan
redes cableadas, pero su costo de implementación en comparación con la
tecnología inalámbrica es elevado, debido a la necesidad de tener una
infraestructura física para la transmisión de datos desde el nodo sensor a la
estación de monitoreo y para la provisión de energía a los nodos sensores. De
esta manera la utilización del protocolo IEEE 802.15.4 para formar una red
inalámbrica de monitoreo para estructuras lineales, es ventajoso desde el punto
de vista económico tanto para su operación como para su gestión. Este tipo de
redes forma parte de las redes sensores inalámbricos lineales (LWSN) (Egas & Gil-Castiñeira, 2020).

La utilización de las redes inalámbricas de sensores que emplean el
protocolo IEEE 802.15.4, se caracterizan porque la zona de cobertura del nodo
es limitada. Por lo tanto, si se utiliza este protocolo para el monitoreo de
estructuras lineales de grandes longitudes, es necesario las redes con
topología lineal multisalto con cientos de nodos que operan con baterías, en
las cuales, aparecen problemas relacionados con altos retardos de transmisión,
protocolos de control de acceso al canal ineficientes, mala sincronización de
los nodos debido al número de nodos retransmisores por donde tienen que pasar
el mensaje para llegar a su destino. Además del problema de los altos retardos
por procesamiento en los nodos debido a que tienen baja capacidad de cálculo
porque los nodos utilizan procesadores de 8 bits.

Si bien la utilización del protocolo 6LowPAN permite tener conectividad extremo a extremo en una red con topología
lineal multisalto, se tiene el problema de que los nodos deben estar siempre en
un estado en el cual todos los procesos del nodo sensor son ejecutados. En
especial los procesos del nivel de red, los cuales contribuyen en el consumo de
energía, ya que el nodo debe encontrar la mejor ruta para enviar los mensajes y
el puerto de salida adecuado. Estos procesos requieren tiempo para su
ejecución, lo que afecta al retardo de extremo a extremo ya que el mensaje debe
pasar por cientos de nodos para llegar a su destino en una topología
multisalto.

En una topología lineal formada por nodos sensores con transmisión
inalámbrica que operan con el protocolo IEEE 802.15.4 existe una sola ruta y
cada nodo tiene una sola interface física por la cual
se transmiten o se reciben tramas no simultáneamente (half
dúplex). Por lo tanto, no es necesario un proceso para seleccionar la mejor
ruta (enrutamiento) y no existe la necesidad de recibir los datos por una interface y enviarle por otra interface (conmutación). Es
así que los procesos de conmutación y enrutamiento que se realizan a nivel de
red pueden ser innecesarios en topologías lineales multisalto (Egas Acosta et al., 2021).

En este
contexto, la propuesta de utilizar únicamente el nivel de enlace con el
protocolo IEEE 802.15.4 para permitir la conectividad entre el nodo sensor y el
nodo frontera en topologías lineales multisalto,
genera las siguientes contribuciones:

1.
Disminuye el retardo de entre el nodo fuente y nodo frontera, al
eliminar los retardos por procesamiento en el nodo para realizar conmutación y
enrutamiento.

2.
Disminuye el consumo de energía en el nodo al eliminar el consumo de
energía de procesos innecesarios.

3.
Facilita la utilización del
estándar IEEE 802.15.4 como una tecnología para el desarrollo de aplicaciones
de monitoreo en estructuras lineales a gran escala.

En el monitoreo de estructuras lineales a gran escala, por ejemplo, para
la detección de perforaciones en un oleoducto para el robo de gasolina, el
derrumbe de un túnel, el paso no autorizado por una frontera etc., los nodos no
tienen datos que transmitir a la estación de central de manera periódica, por
lo que los nodos únicamente deberían estar activos el momento que tienen que
transmitir o retransmitir datos y ahorrar energía.

En el caso de realizar un monitoreo periódico, el nodo debe estar activo
únicamente si el nodo necesita monitorear y transmitir dichos datos, el resto
de tiempo podría estar apagado. En ambos casos hay momentos en los cuales el
nodo no necesita ni transmitir y procesar datos. Por lo tanto, la propuesta de
sincronizar todos los nodos para que operen en un estado activo el momento que
tienen que transmitir y procesar datos en una topología lineal multisalto
genera la siguiente contribución.

4.
Disminuye el consumo de energía en el nodo debido a que el nodo funciona únicamente en los momentos
que tiene que transmitir y procesar datos, el resto del tiempo el nodo no está
activo con el respectivo ahorro de energía.

El objetivo del
presente trabajo es proponer un algoritmo para realizar la transmisión de datos
desde el nodo sensor al nodo frontera en redes inalámbricas de sensores con
topología lineal multisalto con el IEEE 802.15.4 en capa de enlace, sin la
utilización de protocolos de red. Se pretende que la propuesta permita
disminuir el consumo de energía de los nodos sin procesos a nivel de red y
utilizar únicamente los procesos del nivel de enlace, debido a que en este tipo
de redes no es necesario la conmutación y el enrutamiento. El nodo está activo
únicamente en los momentos en los cuales tiene que transmitir o recibir datos.

El presente artículo tiene la siguiente estructura:  en la sección 2 se presentan los trabajos
relacionados; en la sección 3, la metodología utilizada; en la sección 4, los
resultados; en la sección 5, se discuten los resultados obtenidos. Finalmente,
en la última sección, se plantean las conclusiones, así como futuros trabajos a
realizar.

.

Trabajos
relacionados

En (Pandey
et al., 2020)  los autores destacan la complejidad de
sincronizar los nodos  en redes
inalámbricas de sensores y proponen un método de localización de nodos
sincronizados en el tiempo para redes pequeñas.
Una propuesta de sincronización de tiempo asimétrica inversa para redes
inalámbricas de sensores de múltiples saltos con recursos limitados basado en
la difusión inversa de mensajes unidireccionales y eficientes en energía  se propone en
(Huan
et al., 2020). En (Co
et al., 2021) se presenta un
protocolo de recolección de datos y enrutamiento ad hoc con una función de
sincronización de tiempo híbrida basada en paquetes, en la que el tiempo de
referencia proviene del nodo sumidero (centralizado) y de los nodos adyacentes
(distribuido). Los trabajos presentados, se pueden aplicar a redes inalámbricas
de sensores con topología lineal, sin embargo, han sido propuestos para redes
que tienen gran cantidad de nodos sensores dentro de la zona de cobertura y
para su funcionamiento utilizan protocolos de enrutamiento.

Metodología

Para implementar el algoritmo,
se analizó las características de la red inalámbrica de sensores con topología
lineal multisalto y las características de funcionamiento del protocolo IEEE
802.15.4, a partir de lo cual se planteó el escenario del problema a resolver.

Topología lineal

En una red inalámbrica
con topología lineal Figura
1, con n+2
nodos, cada nodo interno se puede comunicar con un nodo a la derecha y otro a
la izquierda. Los nodos frontera vo y vn+1,
pueden enviar la información recibida de los n nodos sensores internos a la estación central. El momento que un
nodo sensor vi sensa un evento, los datos
pueden ser enviados al nodo v0 o al nodo vn+1. Para
efectos de análisis, se va a considerar que los nodos sensores tienen que
enviar los datos al nodo v0.E.

Figura 1

Red con topología lineal multisalto

Los nodos sensores
monitorean la infraestructura lineal de manera periódica con bajo consumo de
energía. Una vez que el nodo vi ha detectado un evento, lo transmite
al nodo vi-1 y este a su vez lo retransmite a su nodo vecino para
que de esta manera llegue al nodo v0.

IEEE 802.15.4

En el estándar IEEE
802.15.4 los nodos pueden operar en el Modo Beacon Activado (modo ranurado) en
el cual el nodo el coordinador de la red es el responsable de sincronizar de
manera periódica los nodos asociados a la red y en el Modo Beacon Desactivado
(modo no ranurado) todos los nodos utilizan el mecanismo de acceso múltiple por
detección de portadora y prevención de colisiones (CSMA/CA) para realizar un
control de acceso al medio y que el nodo pueda realizar la transmisión en cualquier
momento sin colisiones.  En este punto se
debe considerar que el modo no ranurado considera que dentro de la zona de
cobertura del nodo existen cientos de nodos, en este caso, en la zona de
cobertura del nodo existen solo 2 nodos, por lo que, los procesos que se
ejecutan en el nodo son demasiados complejos para el escenario planteado.

En el algoritmo CSMA/CA, presentado en la Figura
2,
se definen las siguientes variables:

·
x representa el número de bytes que deben ser
encapsulados en la trama IEEE 802.15.4, TBO es el período de espera (backoff).

·
TCCA representa el tiempo requerido para
evaluar si el canal está libre.

·
Tfra(x) es el
tiempo requerido para la transmisión de una trama con una carga útil de x byte.

·
TTA es el tiempo que se require
para pasar del modo de transmisión (TX) al modo recepción (RX).

·
TACK es tiempo de transmisión para una trama de confirmación (ACK).

·
TIFS es el tiempo de procesamiento que
requiere el nodo procesar una trama.

Figura 2

Algoritmo CSMA/CA para el modo no
ranurado

Debido a que la distancia entre los nodos es pequeña, el tiempo de
propagación se considera insignificante. La velocidad utilizada en el análisis
es de 250 kbps, por lo tanto, 1 símbolo se compone de 4 byte, y
cada símbolo tiene un período Ts = 16μs. El período
de backoff se calcula como el producto entre el
número de ranuras de backoff y el tiempo de cada
ranura que se compone de 20 símbolos.

Nodo sensor

Para evaluar el
algoritmo propuesto se utilizó el nodo ATZB-256RFR2-XPRO que se presenta en la Figura
3, el cual permite manipular directamente el protocolo
IEEE 802.15.4, y procesar directamente los datos de la trama que se transmite o
recibe. La codificación del algoritmo requiere la utilización del software de
desarrollo ASF® (Atmel Software Framework) (Microchip,
2020) propuesto por el fabricante Atmel™
( Atmel fue adquirido por Microchip), que cuenta con un conjunto de las
bibliotecas que facilitan la creación de código y la programación, como por
ejemplo la herramienta de desarrollo Wireless Composer
(Microchip,
2016) que permite evaluar y utilizar el
protocolo IEEE 802.15.4 con la herramienta Atmel Studio.

Figura 3

Nodo ATZB-256RFR2-XPRO

Resultados

El algoritmo propuesto esta específicamente
diseñado para ser aplicado en el monitoreo de estructuras lineales a gran
escala con las siguientes consideraciones:

·
Se
consideró una estructura lineal con n+2 nodos,
en la cual los nodos frontera tienen conexión con la estación central donde se procesan
los datos obtenidos.

·
Los nodos
trabajan con el protocolo IEEE 802.15.4 y operan en el modo no ranurado.

·
La
distancia máxima entre nodos está dada por el estándar IEEE 802.15.4.

·
Los nodos
en la topología lineal tienen asignados identificadores de manera secuencial y
son fijos.

·
Los nodos
utilizan CSMA/CA para el control de acceso al canal sin la utilización de ACK
para confirmar la recepción de la trama.

·
Dentro de
la zona de cobertura de un nodo sensor están máximo dos nodos.

Algoritmo
propuesto

Los nodos sensores se configuran para operar en
modo transmisión y recepción (modo activo) para transmitir y recibir datos por
periodos de tiempo definidos previamente, esta operación del nodo se define
como periodo activo.  El modo sensor
opera en modo dormido (modo inactivo) por un periodo de tiempo definido como
período inactivo, en el cual, el nodo es habilitado únicamente para el sensado de datos mediante la utilización de
interrupciones en el microcontrolador. Si existe un evento que es sensado por
nodo, el nodo debe esperar estar en el modo activo para que el dato pueda ser
transmitido al nodo frontera. La propuesta evita que el nodo esté en todo
momento en modo activo, de tal manera de disminuir el consumo de energía y
operar en este modo únicamente si existen datos sensados
para transmitir o retransmitir datos de otros nodos.

El período activo se representa como Ta (modos TX y modo RX) y el período
inactivo como Ti (modo dormido).
Mientras el nodo opera en modo inactivo, el módulo del transceptor del nodo (TX
y RX) no están operativos, y únicamente se ejecutan los procesos relacionados
con las interrupciones en el nodo sensor. Estos periodos de tiempo requieren la
utilización de un temporizador en el nodo, el cual indica el momento que
empieza y termina cada período. Los modos activo e inactivo se repiten de
manera periódica y sus períodos de tiempo que dependen del número de nodos que
forman parte de la estructura lineal pueden ser modificados en el algoritmo
propuesto.

Es necesario que los nodos se sincronicen para
que todos los nodos de manera simultánea estén en modo activo, y sus relojes
deben estar sincronizados para permitir que los nodos pasen de modo activo a
inactivo en el mismo momento. El momento que el nodo empieza a operar en modo
activo, se pone en modo de recepción y espera la recepción de la trama de
sincronización (Token) para sincronizar su reloj y actualizar los valores de
los periodos activo e inactivo. Luego de esto, se pone en modo recepción a la
espera de una trama para ser retransmitida o para transmitir sus datos sensados. Si el nodo que forma parte de la estructura
lineal no está en modo activo y le llega una trama, estas no pueden ser
recibidas ni procesadas.

El momento en el cual, todos los nodos están en
modo activo, el nodo frontera v0 genera una
trama Token que es enviada al nodo v1, y este la envía al nodo v2,
el proceso se repite hasta que el Token es recibido por el nodo frontera vn+1.
Si el nodo vi recibe la trama de sincronización del nodo vi-1,
sincroniza su reloj y actualiza los tiempos para el modo activo Ta e
inactivo Ti, luego reenvía el Token al nodo vi+1. Si el
nodo vi tiene datos que ha sensado, una vez recibido el Token
transmite sus datos, así como su identificador en la trama de datos al nodo vi-1
para que este lo retransmita y de esta manera llegue al nodo frontera vo. Luego, el nodo está atento a la recepción de
tramas retransmitidas por el nodo vi+1 con datos generados por nodos
vj donde n >= j >= i si
las hubiere.

El período Ta incluye el estado del nodo en que transmite, de
recibe y procesa los datos, luego el nodo pasa al modo de operación inactivo
(dormido) por un tiempo dado por Ti, en este modo de operación los nodos
desactivan sus funciones modo dormido, manteniendo las más imprescindibles para
despertarse después de un tiempo necesario.

Mientras
el nodo opera en modo dormido, su radio se queda apagada y establece un
temporizador para despertarse más tarde. Una vez concluido el período Ti,
el nodo despierta y empieza el período Ta,
inmediatamente comienza a escuchar el medio a la
espera de la trama de sincronización. De esta manera la sincronización de los
relojes de cada nodo se lo realiza de manera periódica cada Ta +Ti
segundos.

A continuación, se presenta el Seudo Código del
algoritmo propuesto:

1 Eventosensado == Falso

2 Datosensado == Falso

3 Operación == Verdadero

4 Ta == tiempo en el cual el nodo esta activo

5 Ti ==   tiempo en el cual el
nodo está inactivo

6 while Operación == verdadero

7 Iniciar temporizado t

8 Activar nodo para operar en
modo Tx y Rx

9             case t <= Ta

10                           Modo RX

11                           case
Eventosensado == Verdadero

12                           Datosensado ==
Verdadero

13                           endcase

14                           case
Tramarecibida == token

15                           Sincronizar relojes, Actualizar Ti, Ta

16                           Modo Tx

17                           Enviar token a nodo i+1

18                           Modo RX

19                           endcase

20                           case
Tramarecibida == Datosaretransmitir

21                           Modo Tx

22                          Retransmitir
trama a nodo i-1

23                           Modo Rx

24                          endcase

25                          case Datosensado
== Verdadero

26                          preparar
trama con datos sensados

27                          modo
Tx

28                          enviar
trama a nodo i-1

29                          endcase

30           endcase

31           iniciar temporizador t

32           Activar nodo en modo dormido

33           case t <= Ti

34                           case
Eventosensado == Verdadero

35                           Datosensado ==
Verdadero

36                           endcase

37           endcase

38 endwhile

Los nodos permanecerán en un estado de bajo
consumo energético durante el tiempo inactivo, luego de ese tiempo se vuelven a
activar todos los nodos, con excepción del nodo v0, que siempre
permanecerá activo y se comunica con la central de monitoreo para lo cual utiliza otra tecnología de comunicación.

Períodos
activo e inactivo

Tomando en cuenta que los nodos operan en el
modo no ranurado con CSMA/CA, sin utilizar la trama de confirmación (ACK), el
tiempo Ta(x) en el cual el
nodo v1 debe estar en el modo activo para poder retransmitir y
recibir las tramas generadas por los n+1 nodos está dado por la siguiente
expresión. El nodo frontera v0 siempre está
activo.

(1)

En la Tabla 1 se presenta los tiempos
mínimos calculados, que un nodo debe estar activado en una estructura lineal que
contiene n+2 nodos, de tal manera que si  todos los nodos tienen datos que
transmitir, a ecepción del nodo frontera v0, lo puedan hacer.  Los valores fueron calculados a base del escenario
en el cual los nodos estan ubicados cada 25 metros con
una carga útil máxima de x = bytes que puede ser transportada en la trama IEEE 802.15.4 , TBO
= 96 mseg es equivalente a 3 slots con el valor del exponente
BE = 3,  TCCA =
128 mseg,
Tfra(x) = 992 mseg, TTA = 192 mseg,
TIFS = 192 mseg. Con estos datos, los valores de Ta(x)
mínimos requeridos para que los nodos esten activos
se presentan en la Tabla 1.

En el caso de una estructura lineal de 62 Km de
longitud con nodos colocados cada 25 mt. el tiempo en
el cual un nodo necesita estar activo para asegurar la retransmisión de todas
las tramas al nodo de borde v0 es de 6.16 mseg.

Tabla 1

Tiempo
de activación mínimo Ta(x)

NUMERO
DE NODOS

Ta(x)

(seg)

LONGITUD
(Km)

2

0.007392

0.025

5

0.014

0.1

10

0.027104

0.225

50

0.125664

1.225

100

0.248864

2.475

500

1.234464

12.475

1000

2.466464

24.975

2500

6.1624

62.45

5000

12.322464

124.975

La expresión anterior considera que todos los
nodos sensan un evento en el mismo periodo de
monitoreo Tm, y deben
transmitir los datos en el periodo activo Ta(x),
sin embargo el tiempo del periodo inactivo Ti depende de la aplicación y por lo
tanto el valor de Tm el
cual depende del tiempo máximo que puede esperar el nodo v0 para
recibir la información de monitoreo o de alarma. Considerando que Tm, es el período de
monitoreo de la red.

(2)

Si se requiere monitorear la infraestructura de
la red de 62 Km cada Tm = 60 segundos, con Ta(x) = 6.16 seg y Ti = 53.84 seg,
los nodos deberían estar en modo activo solo el 10% del tiempo, lo cual
disminuye significativamente el ahorro de energía

Prototipo
implementado

Para evaluar el algoritmo, se implementó un
prototipo de red con topología lineal basada en cinco nodos ATZB-256RFR2-XPRO,
se configuró la potencia de transmisión de cada nodo, para que el área de
cobertura tenga un alcance de 30 cm, y se deshabilitó el envío de tramas ACK de
tal manera de tener una red multisalto de 5 nodos como se muestra en la Figura 4. Si se
tienen cientos de nodos, lo que cambia en el algoritmo es el tiempo Ta(x).

Figura 4

Prototipo
con Topología Lineal

Para la programación de los nodos se utilizó el
software ATMEL STUDIO 7 o la versión más reciente de Microchip, con la
extensión Wireless Composser en su versión más
actualizada. Para capturar las tramas IEEE 802.15.4 se utilizó el software “Packet Sniffer” del fabricante Texas Instruments (Instruments, 2014). La información de las tramas capturadas se las obtuvo
en la pantalla de una computadora configurada para tal efecto, la cual permite visualizar las tramas que contienen
el Token y los datos transmitidos.

Para simular que los
nodos sensan un evento, se utilizó un interruptor que
viene incluido en cada nodo, el cual activa una interrupción que indica que el
nodo senso un evento. En el escenario de pruebas se
presenta en la Figura 5, los nodos fueron configurados de tal manera que
la señal únicamente llegue a sus nodos vecinos y de esta manera tener una red
multisalto.

Figura 5

Escenario
de pruebas

Discusión

Se realizaron varias pruebas para comprobar el
funcionamiento del algoritmo propuesto y de esta manera validar cómo los nodos
que forman parte de la topología lineal transmiten los datos en un mismo
intervalo de tiempo y comprobar la transmisión de datos de extremo a extremo
sin la necesidad de utilizar un protocolo de enrutamiento. A continuación, se
presentan los resultados más relevantes de las diferentes pruebas realizadas.

En la Figura 6 se
presenta la captura de tramas que contienen el Token para iniciar el estado
activo en los nodos. Como se puede apreciar, se envía la letra T para indicar
que la trama contiene el Token, acompañada con el tiempo para la
sincronización.

Figura 6

Captura
de tramas con Token

Como se puede
apreciar en las tramas capturadas, los valores de la dirección fuente y de la
dirección de destino indican que el Token va desde el nodo 0X01 hasta el nodo
0x05, el tiempo promedio que se tarda un nodo en retransmitir la trama que contiene
el Token es de 4.2 mseg.  El valor que tarda el Token en llegar al nodo
frontera es de 12.78 mseg. por lo tanto, el tiempo
necesario para que el Token llegue al nodo frontera y que el mensaje del nodo
frontera llegue al nodo 0x01 es de 25.56 mseg.

En la Figura 7 se presenta las tramas de datos enviadas por
el nodo 0X05 al nodo frontera.

Figura 7

Captura
de tramas de datos retransmitidas

Al comparar los
tiempos de retransmisión de los nodos para que la trama con los datos sensados, llegue del nodo 0x05 al nodo 0x01 nos podemos dar
cuenta que los tiempos de retardo por procesamiento en el nodo tienen un valor
promedio de 2.73 msg, este valor difiere del valor
calculado para el retardo por procesamiento en el nodo si se retransmite el
Token el cual es de 4.25 mseg.

El algoritmo para
procesar y retransmitir el Token ejecuta más procesos que el algoritmo para
retransmitir la trama.  Si se considera
que el tiempo para retransmitir el Token desde el nodo 0x001 al nodo 0x005 es
12.78 mseg y el tiempo para enviar los datos sensados desde el nodo 0x005 al nodo 0x01 es 8.302 mseg, al sumar los dos tiempos, el tiempo mínimo en el cual
el nodo debería estar en modo activo es la suma de estos dos tiempos, es decir,
21.08 mseg. El valor del tiempo mínimo calculado, que
los nodos deben operar en modo activo para este escenario de pruebas es de 14 mseg.

Consideramos que las
diferencias se deben a que en los cálculos no se considera el tiempo real que
el nodo tarda en procesar la trama para ser transmitida, ya que el análisis
teórico se considera que cuando la trama llega al nodo se almacena en el buffer
de recepción y automáticamente se retransmite,
en este caso la trama se la obtiene del buffer, se la almacena en una variable,
se la modifica y se retransmite. Además, en un sistema ya implementado para su
aplicación real, los procesos se implementarían por hardware y no por software
como se lo realizo para la implementación del algoritmo en el prototipo.

Igualmente hay que
considerar que los Timer que indican el inicio del
período activo e inactivo en el nodo, en el prototipo se lo implementa por
software, por lo que el tiempo de procesamiento en el nodo para realizar esta
tarea, influye en el retardo total. Se considera que, en una implementación
real, este Timer se lo implementa por hardware de
manera independiente y no mediante código de programa en el microcontrolador
del nodo.

Se comprobó que el algoritmo diseñado para una red
con topología lineal, codificado para ser ejecutado en los nodos ATMEL
ATZB-256RFR2-XPRO, permite al nodo frontera sincronizar todos los nodos de la
topología lineal que operan con el protocolo IEEE 802.15.4 para que inicien su
operación en modo no ranurado en un instante predefinido. El algoritmo no
requiere que los relojes de todos los nodos estén sincronizados con un reloj de
precisión o una referencia como por ejemplo un GPS.

Se verificó que en el momento que el nodo recibe
el mensaje de sincronización (Token), define el tiempo en que el nodo debe
estar activo e inactivo. Además de indicarle de manera periódica al nodo, el
instante en que debe ponerse nuevamente en modo activo y de esta manera
transmitir los datos en este modo.

La novedad científica de la propuesta radica en
presentar un algoritmo para el monitoreo de estructuras lineales que se ejecuta
en sobre la capa de enlace (protocolo 802.15.4) a diferencia de otras soluciones
que trabajan en capa aplicación, sin la necesidad de un protocolo de
enrutamiento. Además, el mecanismo de sincronización de los nodos es muy
simple, lo cual va de acuerdo con los nodos sensores de baja capacidad de
procesamiento sin la necesidad de utilizar otras técnicas como es el
posicionamiento global por satélite o utilizar relojes de referencia en la red
Internet.

Conclusiones

La propuesta
soluciona el problema de sincronizar cientos de nodos en topologías lineales
multisalto, sin utilizar sistemas de posicionamiento global (GPS), contribuye a
minimizar el consumo de energía de los nodos, al evitar que los nodos estén en
estado activo cuando no tienen que transmitir datos.

La propuesta
utilizó el protocolo de enlace IEEE 802.15.4 para enviar tramas desde un nodo intermedio de la
red multisalto con topología lineal al nodo frontera. Permite tener conectividad de
extremo a extremo, sin utilizar protocolos de red y por lo tanto disminuir la
cantidad de los procesos que tiene que realizar el nodo para brindar
conectividad lo cual evidentemente influye en los tiempos de procesamiento en
el nodo.

El
algoritmo fue implementado en un prototipo creado para tal efecto, en el cual
se comprobó el funcionamiento del algoritmo. El tiempo que el nodo está en modo
inactivo consume una cantidad mínima de energía, lo cual permite al nodo
ahorrar energía, y por lo tanto aumenta su tiempo de vida y de la red. Los
escenarios en los cuales todos los nodos transmiten datos,
permiten validar el intervalo de tiempo en el que el nodo debe estar en el modo
activo.

Las limitaciones del estudio tenían relación
con la realización de las pruebas en un prototipo de red que opera en un
ambiente controlado, por lo que, es necesario probar el algoritmo en ambientes
con mucho ruido para determinar como la pérdidas de tramas afectan a los
períodos de tiempo en los cuales los nodos
deben estar activos y realizar investigaciones asociadas con la
transmisión confiable utilizando confirmaciones implícitas y evitar la
utilización de ACK porque influye en el retardo extremo y en el consumo de  energía.

Se
pretende con los resultados obtenidos, promover la creación de aplicaciones
para monitoreo de estructuras lineales de cientos de kilómetros, por ejemplo,
para sensar las perforaciones no autorizadas en una
tubería para robar gasolina. La propuesta contribuye al desarrollo de una nueva
arquitectura de red para topologías lineales.

Reconocimientos

Este
trabajo forma parte del proyecto “Redes de Sensores Inalámbricos para IOT”
propuesto por el Grupo de Investigación EoT del
DETRI. Los autores desean expresar su agradecimiento Vicerectorado
de Investigación de la EPN y a NetSoSe.

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