https://doi.org/10.37815/rte.v34n3.951
Artículos originales
Algoritmo para el monitoreo de estructuras lineale=
s a
gran escala
Algorithm=
for
monitoring large-scale linear structures
Leonardo Vera Sánchez1 <=
/span>https://orcid.org/0000-0=
002-5823-0461,
Carlos Egas Aco=
sta1 =
https://orcid.org/0000-0=
002-3540-9768
1
leonardo.vera@epn.edu.ec, carlos.egas@epn.edu.ec
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 rec=
ibir
tramas en un mismo intervalo de tiempo y evitar la utilización de protocolo=
s 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 nod=
o de
la red. Para ello, se calculó el intervalo de tiempo en el cual los nodos d=
eben
estar activos para que todos los nodos que forman parte de la topología
=
Pa=
labras
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.e=
du.ec/index.php/tecnologica/article/view/951
The design of an algorithm that operates at the link leve=
l 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 w=
as
implemented. The algorithm is executed in each node of the network. Therefo=
re,
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 ope=
rate
in active mode. Based on the results, the algorithm performance was validat=
ed
and provides a tool for the creation of applications associated with linear
infrastructure monitoring.
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 fun=
cionar
los nodos operan con baterías, es necesario optimizar el consumo de energía=
de
los nodos con el propósito de que puedan o=
perar
por largos períodos de tiempo, lo cual
incentiva a los investigadores para desarrollar nuevas tecnologías que permitan disminuir el c=
onsumo
de energía (Shruti et al., 2019) ocasionado por la transmisión y recepció=
n 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 nod=
os.
Por otra parte, no existe una única arquitectura de red para las red=
es
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), Zigbe=
e (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 c=
on
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 inalá=
mbricas
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 utiliz=
an
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 p=
unto
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)<=
!--[if supportFields]>.
La utilización de las redes inalámbricas de sensores que emplean el
protocolo IEEE 802.15.4, se caracterizan porque la zona de cobertura del no=
do
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 transmisi=
ón,
protocolos de control de acceso al canal ineficientes, mala sincronización =
de
los nodos debido al número de nodos retransmisores por donde tienen que pas=
ar
el mensaje para llegar a su destino. Además del problema de los altos retar=
dos
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 siempr=
e 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 consum=
o de
energía, ya que el nodo debe encontrar la mejor ruta para enviar los mensaj=
es 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 <=
span
class=3DGramE>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 conmutació=
n 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 aplicacion=
es
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 nodo=
s no
tienen datos que transmitir a la estación de central de manera periódica, p=
or
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 ac=
tivo
únicamente si el nodo necesita monitorear y transmitir dichos datos, el res=
to
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 momen=
tos
que tiene que transmitir y procesar datos, el resto del tiempo el nodo no e=
stá
activo con el respectivo ahorro de energía.
El objetivo del
presente trabajo es proponer un algoritmo para realizar la transmisión de d=
atos
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 act=
ivo
únicamente en los momentos en los cuales tiene que transmitir o recibir dat=
os.
El presente artículo tiene la siguiente estructura: en la sección 2 se presentan los trabaj=
os
relacionados; en la sección 3, la metodología utilizada; en la sección 4, l=
os
resultados; en la sección 5, se discuten los resultados obtenidos. Finalmen=
te,
en la última sección, se plantean las conclusiones, así como futuros trabaj=
os 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 re=
des
inalámbricas de sensores de múltiples saltos con recursos limitados basado =
en
la difusión inversa de mensajes unidireccionales y eficientes en energía
M
Para implement=
ar el algoritmo,
se analizó las características de la red inalámbrica de sensores con topolo=
gía
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 resolv=
er.
Topología lineal
En una red ina=
lámbrica
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 multisal= to
Los nodos sens=
ores
monitorean la infraestructura lineal de manera periódica con bajo consumo de
energía. Una vez que el nodo vi ha detectado un evento, lo trans=
mite
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 Desactiva=
do
(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 c=
ualquier
momento sin colisiones. En este pu=
nto 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 · =
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 análi=
sis
es de 250 kbps, por lo tanto=
, 1 símbolo se compone de 4 byte,=
y
cada símbolo tiene un período Ts =3D 16<=
/span>μs. El pe=
ríodo
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 protoco=
lo
IEEE 802.15.4, y procesar directamente los datos de la trama que se transmi=
te o
recibe. La codificación del algoritmo requiere la utilización del software =
de
desarrollo ASF® (Atmel Software Framework) (Microchip,
2020) propuesto por el fabricant=
e 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 util=
izar el
protocolo IEEE 802.15.4 con la herramienta Atmel Studio. =
Figura =
3=
Nodo ATZB-256RFR2-XPRO Resultados El algoritmo propuesto esta específicamen=
te
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 secuencia=
l y
son fijos. · =
Los =
nodos
utilizan CSMA/CA para el control de acceso al canal sin la utilización de A=
CK
para confirmar la recepción de la trama. · =
Dent=
ro de
la zona de cobertura de un nodo sensor están máximo dos nodos. Algoritmo
propuesto Los nodos sensores se configuran para ope=
rar 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 p=
or
nodo, el nodo debe esperar estar en el modo activo para que el dato pueda s=
er
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 sensad=
os
para transmitir o retransmitir datos de otros nodos. El período activo se representa como Ta (modos TX y modo RX) y el pe=
ríodo
inactivo como Ti (modo dormido)<=
/span>.
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 relacionad=
os
con las interrupciones en el nodo sensor. Estos periodos de tiempo requiere=
n 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 mo=
do
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 es=
tán en
modo activo, el nodo frontera v0 gene=
ra una
trama Token que es enviada al nodo v1, y este la envía al nodo v=
2,
el proceso se repite hasta que el Token es recibido por el nodo frontera v<=
sub>n+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 recepc=
ión de
tramas retransmitidas por el nodo vi+1 con datos generados por n=
odos
vj donde n >=3D j >=
=3D 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 n=
odos
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 T A continuación, se presenta el Seudo Códi=
go del
algoritmo propuesto: 1 Eventosensado =3D=3D Falso 2 Datosensado =3D=3D Falso 3 Operación =3D=3D Verdadero 4 Ta =3D=3D tiempo en el cual el nodo esta activo 5 Ti =3D=3D tiempo en e=
l cual el
nodo está inactivo 6 while Operación =3D=3D verdadero 7 Iniciar temporizado t<=
o:p> 8 Activar nodo para oper=
ar en
modo Tx y Rx 9 case t <=
=3D Ta 10 Modo RX 11 c=
ase
Eventosensado =3D=3D Verdadero 12 Datosensado =3D=3D
Verdadero 13 endcase 14 c=
ase
Tramarecibida =3D=3D token 15 Sincronizar relojes, Actualizar Ti, Ta=
16 Modo Tx 17 Enviar token a nodo i+1
18 Modo RX
19 <=
span
class=3DSpellE>endcase
20 case
Tramarecibida =3D=3D Datos=
aretransmitir
21 Modo Tx
22 Retransmitir
trama a nodo i-1
23 Modo Rx
24 =
endcase
25 =
case Datosen=
sado
=3D=3D 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 &l=
t;=3D Ti
34 case
Eventosensado =3D=3D Verdadero
35 Datosensado =3D=3D
Verdadero
36 endcase
37 endcase
38 endwhile
Los nodos permanecerán en un estado de ba=
jo
consumo energético durante el tiempo inactivo, luego de ese tiempo se vuelv=
en 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 comunic=
ación.
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 c=
ual 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 siempr=
e está
activo.
=
En la Tabla 1<=
/span> se presenta los tiempos
mínimos calculados, que un nodo debe estar
En el caso de una estructura lineal de 62=
Km de
longitud con nodos colocados cada 25 mt. el tie=
mpo en
el cual un nodo necesita estar activo para asegurar la retransmisión de tod=
as
las tramas al nodo de borde v0 es de 6.16 m=
seg.
Tabla 1=
Tiempo de activación mínimo Ta(x)
|
NUMERO
DE NODOS |
Ta(x) (seg) |
LONGITUD
(Km) |
|
2 |
0.007392 |
0.025<=
/span> |
|
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.
=
Si se requiere monitorear la infraestruct=
ura de
la red de 62 Km cada Tm =3D 60 segundos, con Ta(x) =
=3D 6.16 seg y Ti =3D 53.84 se=
g,
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-XP=
RO,
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 AC=
K 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 util=
izó el
software ATMEL STUDIO 7 o la versión más reciente de Microchip, con la
extensión Wireless Composser en su versi=
ón más
actualizada. Para capturar las tramas IEEE 802.15.4 se utilizó el software =
“Packet Sniffer” del fabri=
cante Texas Instruments (Instruments, =
2014). La información de las tramas capturadas se la=
s obtuvo
en la pantalla de una computadora configurada para tal efecto, la cual permite visualizar las tramas que conti=
enen
el Token y los datos transmitidos.
Para simular q=
ue los
nodos sensan un evento, se utilizó un interrupt=
or que
viene incluido en cada nodo, el cual activa una interrupción que indica que=
el
nodo senso un evento. En el escenario de prueba=
s se
presenta en la Figura 5=
, los nodos fueron configurados de tal manera q=
ue
la señal únicamente llegue a sus nodos vecinos y de esta manera tener una r=
ed
multisalto.
Figura 5=
Escenario de pruebas
Discusión
Se realizaron varias pruebas para comprob=
ar el
funcionamiento del algoritmo propuesto y de esta manera validar cómo los no=
dos
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 realizada=
s.
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 indic=
ar
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 no= do 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 a= l nodo frontera es de 12.78 mseg. por lo tanto, el tie= mpo necesario para que el Token llegue al nodo frontera y que el mensaje del no= do frontera llegue al nodo 0x01 es de 25.56 mseg.<= o:p>
En la <=
/span>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 podem=
os dar
cuenta que los tiempos de retardo por procesamiento en el nodo tienen un va=
lor
promedio de 2.73 msg, este valor difiere del va=
lor
calculado para el retardo por procesamiento en el nodo si se retransmite el
Token el cual es de 4.25 mseg.
El algoritmo p=
ara
procesar y retransmitir el Token ejecuta más procesos que el algoritmo para
retransmitir la trama. Si se consi=
dera
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
Consideramos q=
ue las
diferencias se deben a que en los cálculos no se considera el tiempo real q=
ue
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 bu=
ffer
de recepción y automáticamente se retransm=
ite,
en este caso la trama se la obtiene del buffer, se la almacena en una varia=
ble,
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 softw=
are
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 es=
ta
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 u=
na 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 relo=
j de
precisión o una referencia como por ejemplo un GPS.
Se verificó que en el momento que el nodo re=
cibe
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 eje=
cuta
en sobre la capa de enlace (protocolo 802.15.4) a diferencia de otras soluc=
iones
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.
La prop=
uesta
soluciona el problema de sincronizar cientos de nodos en topologías lineales
multisalto, sin utilizar sistemas de posicionamiento global (GPS), contribu=
ye 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 prop=
uesta
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 cu=
al
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 dat=
os,
permiten validar el intervalo de tiempo en el que el nodo debe estar en el =
modo
activo.
Las limitaciones del estudio tenían rela=
ción
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 ambien=
tes
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<=
span
style=3D'mso-spacerun:yes'> energía.
Se
pretende con los resultados obtenidos, promover la creación de aplicaciones
para monitoreo de estructuras lineales de cientos de kilómetros, por ejempl=
o,
para sensar las perforaciones no autorizadas en=
una
tubería para robar gasolina. La propuesta contribuye al desarrollo de una n=
ueva
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 V=
icerectorado
de Investigación de la EPN y a NetSoSe.
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