Red de Sensores y Dispositivo Móvil con Android Edición Única

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(2) R e d de Sensores y Dispositivo Móvil con A n d r o i d. T E S I S Maestría en Ciencias en Tecnología Informática. Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de M o n t e r r e y. Por Ing. Gustavo Rodríguez López M a y o 2011.

(3) Red de Sensores y Dispositivo Móvil con Android. T E S I S. Maestría en Ciencias en Tecnología Informática. Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey. Por. Ing. Gustavo Rodríguez López. M a y o 2011.

(4) Red de Sensores y Dispositivo Móvil con Android. TESIS. Maestría en Ciencias en Tecnología Informática. Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey. Por. Ing. Gustavo Rodríguez López. M a y o 2011.

(5) Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey División de Graduados en Mecatrónica y Tecnologías de Información L o s m i e m b r o s d e l comité de tesis recomendamos que l a presente tesis de G u s t a v o Rodríguez López sea aceptada como requisito p a r c i a l p a r a obtener el grado académico de M a e s t r o en C i e n c i a s en: Tecnología Informática. Comité de tesis:. M a y o de 2011.

(6) Red de Sensores y Dispositivo Móvil con Android. Por. Ing. Gustavo Rodríguez López. TESIS. P r e s e n t a d a a l a División de Mecatrónica y Tecnologías de Información E s t e t r a b a j o es requisito p a r c i a l p a r a obtener el grado académico de M a e s t r o en Ciencias en Tecnología Informática. Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey Campus Monterrey Monterrey, N . L . M a y o de 2011.

(7) A m i esposa M a r c e l i n a , mis padres G e r a r d o y María A n t o n i a , y a m i hermano Salvador..

(8) Reconocimientos. A n t e s que n a d a agradezco a D i o s por todas las bendiciones que me h a dado en m i v i d a y p o r l a o p o r t u n i d a d de v i v i r esta etapa de m i v i d a donde realice el estudio de l a Maestría en Ciencias en Tecnología Informática.. D u r a n t e este t i e m p o tuve l a. o p o r t u n i d a d de aprender muchas cosas y de conocer a gente m a r a v i l l o s a , compañeros y maestros, que h a n dejado algo en m i v i d a . A g r a d e z c o a m i s padres G e r a r d o y María A n t o n i a que más que m i s progenitores, ellos h a n sido m i motivación e inspiración p a r a seguir siempre h a c i a adelante y son y serán u n apoyo indispensable en m i v i d a . E s t e trabajo de tesis es l a materialización de u n reto más superado en m i v i d a y se los dedico a ellos c o n t o d o m i corazón porque sé que c o m p a r t e n m i alegría y orgullo. E n los agradecimientos no podría faltar m i esposa M a r c e l i n a q u i e n me h a apoyado siempre y n u n c a me h a dejado caer. E l l a me apoyo desde el inicio de este proyecto de estudiar u n a maestría a u n cuando i m p l i c a b a el separarnos físicamente y tener u n noviazgo a d i s t a n c i a , pero afortunadamente esto no fue i m p e d i m e n t o p a r a que hoy estemos casados. G r a c i a s p o r t o d o M a r c e te amo c o n todo m i corazón. U n a p e r s o n a que t a m p o c o puede faltar es m i tía F i r a ( G l a f i r a Rodríguez Sangabriel) con q u i e n he c o n v i v i d o desde niño y a quien veo como u n a segunda m a d r e por l a forma que nos t r a t a a m i h e r m a n o y a mí. A g r a d e z c o de m a n e r a m u y especial al D o c t o r J u a n C a r l o s L a v a r i e g a Jarquín quien me h a apoyado intensamente asesorándome en l a realización de este trabajo de tesis desde que me acerque c o n él p a r a pedirle que fuera m i asesor de tesis. A g r a d e z c o también de m a n e r a especial a l D r . José Raúl Pérez Cázares y a l Ing. A r t e m i o A l f r e d o A g u i l a r Coutiño por el apoyo b r i n d a d o al aceptar ser mis sinodales y su disposición p a r a sacar este proyecto adelante. E l m e n c i o n a r a todos las personas que h a n influido en m i v i d a y les estoy agradecido es prácticamente imposible y a que necesitaría escribir o t r a tesis. A continuación VI.

(9) m e n c i o n o algunos nombres que v i e n e n a m i mente en este momento: m i h e r m a n o S a l v a d o r , R o y A l f a r o ( p r i m e r a persona que creyó en mí en M o n t e r r e y ) , J u a n C a r l o s López, N e s t o r , M a r i o A . González, José M a n u e l , Ramón, N e l s o n , N a z a r i o , E m i r , Isidro, Sabas, amigos d e l Tecnológico de V e r a c r u z , etc. A g r a d e z c o a l D e p a r t a m e n t o de Servicios C o m p u t a c i o n a l e s d e l C a m p u s M o n t e r r e y p o r t o d o el a p o y o y p o r h a b e r m e p e r m i t i d o formar p a r t e de su equipo de t r a b a j o en especial a l I n g . A b r a h a m U r c a d i z , a l a M a s t e r D a l i a Ivonne F i e r r o y a l Ing. C h r i s t i a n Skertchly. A g r a d e z c o también a m i s compañeros d e l Área de Servicios Académicos y a L a u r a M i n e r v a de O c h o a p o r su a m i s t a d y apoyo. A g r a d e z c o a l Ing. R a m i r o F l o r e s C o n t r e r a s p o r s u apoyo y p o r haber creído en mí.. GUSTAVO RODRÍGUEZ LÓPEZ. Instituto Mayo. Tecnológico. y de Estudios. Superiores. 2011. VII. de. Monterrey.

(10) Red de Sensores y Dispositivo Móvil con Android. G u s t a v o Rodríguez López, M . C . I n s t i t u t o Tecnológico y de E s t u d i o s Superiores de M o n t e r r e y , 2011. Asesor de l a tesis: D r . J u a n C a r l o s L a v a r i e g a Jarquín. H o y en día el desarrollo de l a tecnología h a p e r m i t i d o que se cuente c o n u n dispositivo con p o d e r de c o m p u t o que bien cabe en l a p a l m a de l a m a n o y en ese dispositivo pode mos seguir conectado a redes, como Internet, y seguir teniendo contacto c o n servicios indispensables hoy en día, como son servicio de correo, mensajería, s t r e a m i n g de video, redes sociales, etc. E n este trabajo de tesis precisamente se pretende e x p l o t a r esa ca p a c i d a d de c ó m p u t o de los Smartphones p a r a u t i l i z a r l a en u n a aplicación médica que ayude a a u t o m a t i z a r u n a parte de l a atención de u n paciente como lo es l a obtención de signos vitales y b r i n d a r l a p o s i b i l i d a d de tener u n a conexión a otros sistemas como podría ser uno donde se tenga de forma electrónica el expediente clínico de los pacientes de u n a institución h o s p i t a l a r i a . A l atender u n paciente el médico entre otras cosas tendrá que hacer u n a e n t r e v i s t a al paciente p a r a obtener cualquier información que le ayude a detectar síntomas, posi bles contraindicaciones que tenga el aplicar algún medicamento, etc. Y también como p a r t e del chequeo médico está el registrar signos vitales como t e m p e r a t u r a , presión ar t e r i a l , etc. que a y u d e n a reflejar c u a l es l a condición a c t u a l de s a l u d de u n paciente. Y en condiciones donde el paciente está estable y en condiciones donde se p u e d a b r i n d a r u n a rápida atención médica, esto puede ser u n proceso donde el t i e m p o no sea u n fac tor de t a n t o peso, pero en condiciones donde el t i e m p o empleado en l a atención del paciente es u n factor de mucho peso, el contar c o n u n a h e r r a m i e n t a que a u t o m a t i c e l a l e c t u r a de signos vitales y que además brinde l a p o s i b i l i d a d de acceder a información clínica del paciente puede quizás hacer l a diferencia entre que el paciente p i e r d a l a v i d a o se estabilice.. E n este trabajo de tesis se p l a n t e a y propone u n a a r q u i t e c t u r a de software que p e r m i t a l a comunicación con sensores que registren los signos vitales de u n paciente y los c o m u n i q u e a l p o r t a d o r del celular con A n d r o i d , y estos datos ademas de ser proce sados p o r el celular también puedan ser t r a n s m i t i d o s a otro u otros sistemas. Además.

(11) de lo anterior se podrá tener acceso a otros sistemas como por ejemplo archivo clínico de pacientes, medicación de pacientes, etc. en fin otros sistemas que c o m p l e m e n t e n a l que se p r o p o n e y de este m o d o se h a g a más fácil l a atención de pacientes, p o r ejemplo el personal médico y a no tendría que depender de u n registro de l a atención del paciente en p a p e l , es decir, se tendría de forma electrónica y más de u n a persona podría acceder a esa información y también se podría acceder sin necesidad estar físicamente en el m i s m o lugar que él paciente. E n el desarrollo del p r o t o t i p o del proyecto de tesis se u t i l i z a r o n dos sensores s i m ulados, en c o m p u t a d o r a s personales, p o r aplicaciones desarrolladas en J a v a y que se c o m u n i c a n c o n el celular A n d r o i d mediante B l u e t o o t h y esta información a su vez se t r a n s m i t e a u n sistema simulado el c u a l le d a al celular las lecturas de estos sensores y otros R F I D (simulados), más información del paciente.. IX.

(12) Índice de Contenido. Reconocimientos. VI. Resumen. VIII. Índice de T a b l a s. XII. Índice de F i g u r a s. XIII. Índice de C ó d i g o s. XV. C a p í t u l o 1. Introducción. 1. 1.1.. Definición del P r o b l e m a. 4. 1.2.. O b j e t i v o general. 5. 1.3.. O b j e t i v o s específicos. 5. 1.4.. Alcance. 6. 1.5.. E n f o q u e del trabajo de investigación. 6. 1.6.. E s t r u c t u r a de l a tesis. 8. Capítulo 2.. M a r c o Teórico. 9. 2.1.. P l a n t e a m i e n t o del p r o b l e m a. 9. 2.2.. D i s p o s i t i v o s móviles. 2.3.. Redes de sensores. 13. 2.3.1.. Características de las redes de sensores. 18. 2.3.2.. B o d y A r e a Sensor Networks. 18. 2.4.. 11. R F I D - R a d i o Frecuency Identification. 20. 2.4.1.. Sistema R F I D. 21. 2.4.2.. Tags de R F I D. 21. 2.4.3.. Lectores de R F I D. 22. 2.4.4.. Antena. 27. 2.4.5.. Software del sistema de R F I D. 27. 2.4.6.. Middleware. 28. 2.4.7.. Aplicación de host. 29. X.

(13) 2.5.. Bluetooth. 29. 2.6.. Android. 30. 2.6.1.. A r q u i t e c t u r a de A n d r o i d. 31. 2.7.. Google y A n d r o i d. 34. 2.8.. W e b Services o Servicios W e b. 35. 2.8.1.. 36. 2.9.. C a p í t u l o 3. 3.1.. A r q u i t e c t u r a de u n servicio web. Conclusiones del capítulo. 38. MovilSens. 39. Arquitectura y prototipo MovilSens. 40. 3.1.1.. 42. Prototipo MovilSens. 3.2.. Instalación de A n d r o i d. 3.3.. Instalar y configurar E c l i p s e p a r a desarrollar proyectos A n d r o i d. 3.4.. Instalar aplicaciones A n d r o i d en u n dispositivo real. 54. 3.5.. Bluetooth y Java S E (Standard Edition). 55. 3.6.. W e b Services en A n d r o i d. 57. C a p í t u l o 4.. 47 . . . .. Análisis de M o v i l S e n s. 49. 60. 4.1.. Dificultades encontradas en el desarrollo del p r o t o t i p o M o v i l S e n s . . . .. 61. 4.2.. Conexión de B l u e t o o t h con J a v a. 62. 4.2.1.. A P I s de conexión B l u e t o o t h. 64. 4.2.2.. C r e a r u n a conexión. 66. 4.2.3.. Servidor B l u e t o o t h y conexiones entrantes. 67. 4.2.4.. Conexión a u n servidor B l u e t o o t h. 68. 4.3.. Conexión B l u e t o o t h con A n d r o i d. 69. 4.3.1.. A b r i e n d o u n socket de conexión B l u e t o o t h cliente. 70. 4.3.2.. Transmisión de datos usando sockets B l u e t o o t h. 70. 4.4.. C o n s u m o de W e b Services con A n d r o i d. 71. 4.5.. C o m o agregar más sensores B l u e t o o t h. 72. C a p í t u l o 5. 5.1.. Conclusiones y Trabajo Futuro. Resumen. 74 74. 5.2.. Conclusiones. 75. 5.3.. T r a b a j o futuro. 78. 5.3.1.. T r a b a j o futuro a corto plazo. 78. 5.3.2.. T r a b a j o futuro a largo plazo. 78. Bibliografía. 80. Vita. 83. XI.

(14) Índice de Tablas. 2.1.. R a n g o s normales y de pánico p a r a los signos vitales clave en adultos . .. 10. 2.2.. T i p o s de tags de R F I D. 23. 2.3.. Frecuencias de R F I D. 27. 2.4.. Características de l a tecnología B l u e t o o t h. 30. 4.1.. Conexiones Bluetooth R F C O M M y L 2 C A P. 67. XII.

(15) Índice de Figuras. 1.1.. Aplicación médica de las redes de sensores. 7. 2.1.. Representación básica de u n a red de sensores. 13. 2.2.. A r q u i t e c t u r a de redes de sensores de dos niveles de B a r i et a l . [1] . . . .. 17. 2.3.. B o d y A r e a Sensor N e t w o r k [10]. 19. 2.4.. A r q u i t e c t u r a de A n d r o i d [22]. 31. 2.5.. R o l e s en el S e r v i c i o W e b [3]. 36. 2.6.. P i l a de P r o t o c o l o s de Servicio W e b [3]. 37. 3.1.. A r q u i t e c t u r a propuesta. 40. 3.2.. A r q u i t e c t u r a del p r o t o t i p o M o v i l S e n s. 43. 3.3.. W e b Service u t i l i z a d o por el p r o t o t i p o M o v i l S e n s. 44. 3.4.. V i s t a lógica de l a a r q u i t e c t u r a. 45. 3.5.. V i s t a de proceso de l a a r q u i t e c t u r a. 45. 3.6.. V i s t a física de l a a r q u i t e c t u r a. 46. 3.7.. V i s t a física de l a a r q u i t e c t u r a - M a p e o de procesos. 46. 3.8.. V i s t a de escenario de l a a r q u i t e c t u r a. 47. 3.9.. V a r i a b l e de entorno J A V A _ H O M E. 48. 3.10. V a r i a b l e de entorno P a t h. 48. 3.11. S D K M a n a g e r - Paquetes a instalar. 49. 3.12. W o r k s p a c e del I D E E c l i p s e. 50. 3.13. W o r k s p a c e del I D E E c l i p s e. 50. 3.14. A g r e g a r el P l u g i n A n d r o i d Development T o o l s. 51. 3.15. P l u g i n A D T - Selección de Software. 51. 3.16. E c l i p s e - Preferences. 52. 3.17. E c l i p s e - R u t a del S D K de A n d r o i d. 52. 3.18. E c l i p s e P l u g i n A D T - V i r t u a l devices. 53. 3.19. E c l i p s e P l u g i n A D T - Installed packages. 53. 3.20. E c l i p s e P l u g i n A D T - A v a i l a b l e packages. 54. 3.21. C e l u l a r A n d r o i d - H a b i l i t a r l a opción U S B debugging. 55. 3.22. P r o y e c t o en E c l i p s e - Configuración del B u i l d P a t h de J a v a. 56. 3.23. P r o y e c t o en E c l i p s e - A d d L i b r a r y. 57. XIII.

(16) 3.24. P r o y e c t o en Eclipse - A d d E x t e r n a l J A R. 58. 3.25. P r o y e c t o en Eclipse - Paquete ksoap2 agregado. 59. 4.1.. E l S t a c k de B l u e t o o t h. 62. 4.2.. O p e r a c i o n e s de u n a aplicación B l u e t o o t h. 64. 4.3.. D i a g r a m a de herencia y contención p a r a conexiones B l u e t o o t h en Java. L a s flechas triangulares vacías denotan herencia y los rombos negros. 4.4.. i n d i c a n contención. 65. S o l i c i t u d de vinculación con u n dispositivo B l u e t o o t h remoto. 73. XIV.

(17) Índice de Códigos. 4.1.. S e r v i d o r B l u e t o o t h y conexiones entrantes. 67. 4.2.. C l i e n t e B l u e t o o t h y flujos de datos. 68. 4.3.. Conexión a u n servidor B l u e t o o t h remoto. 70. 4.4.. T r a n s m i t i e n d o datos usando sockets B l u e t o o t h. 70. 4.5.. A c c e s o a u n W e b Service desde A n d r o i d con k S O A P 2. 72. XV.

(18) Capítulo 1. Introducción. E l uso de l a tecnología c a d a vez se integra aún más en l a v i d a c o t i d i a n a de cualquier persona y el uso de dispositivos de cómputo h a pasado de u n a persona frente a u n a comp u t a d o r a a u n a persona en m o v i m i e n t o con diferentes dispositivos los cuales lleva con él y le p e r m i t e n tener acceso a información, m a n i p u l a r l a y u t i l i z a r l a p a r a su beneficio p r o p i o . E x i s t e n diversos usos de los dispositivos móviles los cuales v a n desde escuchar música, leer el correo electrónico hasta el m a n i p u l a r u n a aplicación que interactúa c o n otras aplicaciones. A u n q u e los dispositivos móviles tienen limitantes tales como: l a c o r t a duración de l a batería, u n d i s p l a y de tamaño reducido, recursos l i m i t a d o s de m e m o r i a y procesador, pero también hay factores tales como su reducido tamaño y l a m o v i l i d a d que h a n sido l a clave de que no solamente sea más común su uso sino que se llegue a l p u n t o de que sean indispensables en el desarrollo de las actividades diarias de muchas personas. O t r o factor determinante del éxito de los dispositivos móviles es l a integración con tecnologías e infraestructura de comunicación y a que sin esta integración no sería posible l a interacción no t a n solo c o n otros dispositivos móviles sino que también sería i m p o s i b l e l a interacción c o n otros sistemas, esta c a p a c i d a d de comunicación es lo que atrae a más usuarios a u t i l i z a r dispositivos móviles. L o s d i s p o s i t i v o s móviles se h a n convertido en t o d a u n a g a m a de posibilidades p a r a p o d e r estar en m o v i m i e n t o sin perder comunicación y poder realizar todo t i p o de a c t i v i dades c o m o podrían ser: estudiar, trabajar o realizar actividades de esparcimiento. L a c a p a c i d a d de p o r t a b i l i d a d y m o v i l i d a d b r i n d a n l a o p o r t u n i d a d de desarrollar infinidad de aplicaciones que a y u d e n a hacer mas fácil l a v i d a del ser h u m a n o , u n ejemplo de estas aplicaciones son aplicaciones médicas p a r a ayudar a pacientes a mejorar su c a l i d a d de v i d a a través del m o n i t o r e o constante de su estado de salud o aplicaciones que ayuden a b r i n d a r atención médica. L o s d i s p o s i t i v o s móviles no pueden hacer todo por si solos, p a r a realizar tareas complejas se hace u n a integración de los dispositivos móviles con otras tecnologías co1.

(19) m o p o r ejemplo las redes de sensores o aplicaciones de software. U n a r e d de sensores o Sensor. Network. está f o r m a d a por u n conjunto de dis-. positivos autónomos espacialmente distribuidos, estos dispositivos o sensores t r a b a j a n c o o p e r a t i v a m e n t e p a r a monitorear condiciones físicas o ambientales, tales como t e m p e r a t u r a , sonido, vibración, presión, m o v i m i e n t o o contaminantes en diferentes lugares [19]. U n a r e d de sensores es u n a h e r r a m i e n t a p a r a el censado d i s t r i b u i d o de uno o más fenómenos y p a r a reportar los datos censados a uno o más observadores [21]. Inicialmente las redes de sensores eran u t i l i z a d a s en aplicaciones m i l i t a r e s a c t u a l mente las redes de sensores se u t i l i z a n en múltiples aplicaciones como p o r ejemplo el m o n i t o r e o de especies y medio ambiente, l a a g r i c u l t u r a , l a producción, l a paquetería y aplicaciones orientadas a l a s a l u d [19]. L a s redes de sensores son u t i l i z a d a s en aplicaciones tales como el estudio de animales en su m e d i o ambiente n a t u r a l o p a r a monitoreo de entornos naturales, el beneficio de estas aplicaciones es el obtener datos de forma r e m o t a p a r a evitar riesgos que pueden poner en peligro l a v i d a de u n ser h u m a n o o en aplicaciones donde l a presencia del h o m bre impediría u n estudio objetivo de a l g u n a entidad o entorno, este es el caso de especies animales que son fácilmente ahuyentadas por l a presencia h u m a d a [19]. L a s aplicaciones donde se u t i l i z a n redes de sensores pueden ser m u y diversas y no l i m i t a r s e a u n solo dom i n i o , las redes de sensores se u t i l i z a n en proyectos de investigación p a r a el estudio de especies, estudio del medio ambiente, cuidado de l a salud y hasta aplicaciones militares. L a s redes de sensores tienen múltiples aplicaciones, pero generalmente i n v o l u c r a n actividades tales como el monitoreo, rastreo y control. L a s redes de sensores pueden utilizarse en múltiples aplicaciones donde se requiera el extraer datos de algún entorno u objeto. U n ejemplo de u n a red de sensores y su aplicación son las Body Area Networks. Sensor. ( B A S N ) [10] las cuales mediante u n a serie de sensores ubicados en el cuerpo. de u n a persona se obtienen datos biométricos de u n a persona. L a s B o d y A r e a Sensor N e t w o r k s proveen el censado, procesamiento y comunicación de datos. L a compañía Telefónica M o v i s t a r [20] h a estado t r a b a j a n d o en E u r o p a j u n t o con otras instituciones en el desarrollo de aplicaciones médicas donde uno de los principales objetivos es el acceder o t r a n s m i t i r información médica a través de medios móviles y si además se t r a b a j a r a con redes de sensores no solo se podría tener acceso a información del archivo médico de u n paciente sino que también se podría obtener de m a n e r a rápida información que ayudará a determinar con mayor precisión el estado de salud a c t u a l de u n paciente.. 2.

(20) H a y trabajos de investigación tales como las Body Area Sensor. Networks. [10] o. proyectos de m o n i t o r e o de ambientes naturales o especies animales donde se emplean las redes de sensores [19], esta redes de sensores extraen los datos y los r e p o r t a n p a r a su utilización a u n a persona o a otro sistema, y en el presente proyecto de tesis se pre tende definir l a f o r m a de interacción entre u n dispositivo móvil con u n a red de sensores y c o n u n s i s t e m a externo así como también se pretende facilitar que l a información en el d i s p o s i t i v o móvil sea t r a n s m i t i d a a otro u otros sistemas mediante u n protocolo que p e r m i t a l a i n t e r o p e r a b i l i d a d con estos sistemas. L a s redes de sensores c a d a vez se vuelven más comunes en d o m i n i o s de aplicación complejos y sofisticados, t a l como sistemas embebidos en electrodomésticos caseros y equipos de oficina e i n d u s t r i a , redes de sensores híbridas y heterogéneas, sensores de c o n s u l t a dinámica, y aplicaciones de rastreo y localización [11]. L a s redes de sensores b r i n d a n l a p o s i b i l i d a d de hacer censado, procesamiento y co municación de datos mediante l a utilización de u n conjunto de dispositivos autónomos espacialmente d i s t r i b u i d o s , estos dispositivos o sensores t r a b a j a n cooperativamente p a r a m o n i t o r e a r condiciones físicas o ambientales, c o n l a. finalidad. de llevar a cabo. actividades c o m o el monitoreo, rastreo y control de u n entorno [9]. E n el uso de las redes de sensores hay factores m u y importantes a t o m a r en cuen t a en el proceso de obtención de datos, factores tales como l a organización de l a red de sensores y los componentes o sensores que integran esta red, y a que a l contar c o n diversos tipos de sensores l a información a obtener no será t r a n s m i t i d a de l a m i s m a forma p o r todos los sensores, también es necesario considerar que u n a vez capturados los datos censados se debe definir el procesamiento que se puede hacer c o n dichos datos p a r a generar información que sea útil y que pueda ser t r a n s m i t i d a a otras aplicaciones. E n u n i n i c i o las redes de sensores estaban pensadas p a r a estar formadas por dis positivos homogéneos que fueran m u y parecidos desde el p u n t o de v i s t a de hardware y software, y esto se debía a que se pretendía ahorrar costos en l a producción de sen sores [11]. H o y en días es común que los sensores que c o m p o n e n u n a red sean m u y heterogéneos y representa u n a serie de problemas entre ellos l a integración de l a infor mación o b t e n i d a por los sensores.. 3.

(21) 1.1.. Definición del Problema D e acuerdo a l D o c t o r Héctor García M o l i n a [6] l a integración de información es. uno de los p r o b l e m a s o retos más grandes que enfrenta l a informática y de acuerdo a su r a n k i n g de i m p o r t a n c i a en el i m p a c t o que tendrían este y otros retos si se resolvieran l a integración de información o c u p a el lugar número dos. C o n integración de información el D o c t o r Héctor García se refiere desde aspectos tales como l a extracción de datos h a s t a aspectos tales como l a combinación de estos datos p a r a generar información y este p r o b l e m a no solo se presenta en l a administración de información en l a W e b sino que también se presenta en las redes de sensores y a que al trabajar de m a n e r a aislada los diferentes fabricantes de sensores c a d a uno t r a b a j a c o n sus propios estándares y el u t i l i z a r diferentes t i p o s de sensores puede traer consigo dificultades p a r a l a obtención de datos y su posterior integración p a r a generar información útil p a r a otros usuarios o sistemas. D e b i d o a l a v a r i e d a d de sensores que pueden conformar u n a red de sensores l a i n formación que p r o d u c e es heterogénea y esto presenta dificultad p a r a l a c a p t u r a de los datos censados p o r l a red de sensores [19]. E n u n sistema que i n v o l u c r a redes de sensores es necesario tener l a c a p a c i d a d de obtener datos u t i l i z a n d o diferentes tecnologías y p a r a p o d e r t r a n s m i t i r los datos obtenidos es necesario el integrar l a información y definir los mecanismos y el formato más adecuado p a r a estandarizar l a forma de realizar d i c h a transmisión, es decir, que l a información que se t r a n s m i t a esté en u n formato ligero y fácil de interpretar por el sistema que tenga como destino esta información, p a r a de esta f o r m a lograr l a i n t e r o p e r a b i l i d a d de l a aplicación d e l dispositivo móvil c o n otras aplicaciones. E l lograr l a i n t e r o p e r a b i l i d a d entre diferentes componentes y aplicaciones ayu daría a p o d e r c o m p a r t i r información c o n otros sistemas de información pero también se podría tener el beneficio de acceder a información de diferentes fuentes y sistemas de información. L a integración de información de las redes de sensores c o n aplicaciones en dispos itivos móviles y otras aplicaciones de software remotas puede b r i n d a r l a o p o r t u n i d a d de mantener el c o n t r o l de u n entorno u obtener de m a n e r a rápida información de u n entorno u objeto, c o n a y u d a de las redes de sensores, y generar información p a r a ser procesada y t r a n s m i t i d a a otros sistemas. E l hacer l a integración de dispositivos móviles c o n redes de sensores d a l a posi b i l i d a d de tener l a c a p a c i d a d de m o v i l i d a d que b r i n d a n estos dispositivos p e r m i t i e n d o que u n a p e r s o n a se desplace en u n entorno y pueda obtener información s i n necesidad. 4.

(22) de traer consigo u n equipo grande, pesado y que requiera estar conectado a corriente eléctrica o a u n a conexión de red. D e b i d o a l a variedad de plataformas que se u t i l i z a n en los dispositivos móviles debe haber p o r t a b i l i d a d p a r a no l i m i t a r s e a u n a p l a t a f o r m a de dispositivo móvil. O t r o p u n t o interesante a tratar es como, y a se mencionó, el asegurar l a i n t e r o p e r a b i l i d a d del d i s p o s i t i v o móvil tanto con diversas fuentes y sistemas de información.. 1.2.. Objetivo general E l presente proyecto de tesis tiene como objetivo general el definir una. tura de software tecnologías. que haga posible la captura de datos de una red de sensores. como RFID. para ser procesada. 1.3.. y Bluetooth,. y transmitida. así como la integración. con el fin actualizar. otros. de la información. arquitec utilizando obtenida. sistemas.. Objetivos específicos P a r a lograr l a adquisición e integración de información es necesario d i v i d i r el. p r o b l e m a en varios objetivos o subtareas. L o s objetivos específicos son los siguientes: • Identificar los mecanismos adecuados p a r a l a c a p t u r a de información de las redes de sensores mediante R F I D y B l u e t o o t h . • Identificar problemas que se pueden presentar en l a comunicación de u n disposi t i v o móvil con las redes de sensores y con otras aplicaciones, y buscar l a solución a dichos problemas. • Identificar los componentes necesarios de l a a r q u i t e c t u r a de comunicación más a d e c u a d a p a r a l a interacción de dispositivos móviles c o n redes de sensores y con otros sistemas, así como l a f o r m a en que deben interactuar dichos componentes. • Identificar los mecanismos adecuados p a r a l a integración de l a información obteni d a de las redes de sensores p a r a ser procesada p o r u n a aplicación en dispositivos móviles y que también p u e d a ser t r a n s m i t i d a a otras aplicaciones con el fin de actualizarlas. • Identificar u n protocolo estándar p a r a l a transmisión de l a información o b t e n i d a de l a red de sensores.. 5.

(23) 1.4.. Alcance E n l a realización de este proyecto de tesis se tiene contemplado el hacer lo siguiente:. • C r e a r y diseñar u n a a r q u i t e c t u r a de software que h a g a posible l a extracción de sensores c o n las tecnologías R F I D y B l u e t o o t h . • C r e a r u n a aplicación p r o t o t i p o u t i l i z a n d o A n d r o i d p a r a s i m u l a r l a obtención de signos vitales de u n paciente, se pretende que l a información de los signos vitales sea útil a l médico en l a t o m a de decisiones. • P l a n t e a r l a interacción de entre l a aplicación de A n d r o i d y de otros sistemas. C o m o m u e s t r a de los resultados del proyecto de tesis se tienen las siguientes restricciones: • N o se r e a l i z a n experimentos con l e c t u r a de signos vitales en pacientes reales. • N o se d e s a r r o l l a r a n sistemas adicionales al sistema del dispositivo móvil de A n d r o i d , (pero se m o s t r a r a l a forma de interacción c o n otros sistemas).. 1.5.. Enfoque del trabajo de investigación C o m o se mencionó en este capítulo l a integración de información es uno de los. problemas o retos más grandes que enfrenta l a informática.. C o n integración de i n -. formación se hace referencia desde aspectos tales como l a extracción de datos h a s t a aspectos c o m o l a combinación de estos datos p a r a generar información útil que p u e d a ser p r o c e s a d a y t r a n s m i t i d a a otros sistemas de información. E l p r o b l e m a de l a integración de información a l igual que en otras áreas de l a i n formática también se presenta en las redes de sensores debido a que los manufactureros de sensores a l trabajar de m a n e r a aislada c a d a uno t r a b a j a c o n sus propios estándares y a l m o m e n t o de i m p l e m e n t a r u n a red de sensores el u t i l i z a r diferentes tipos de sensores puede traer consigo dificultades p a r a l a obtención de datos y su posterior integración p a r a generar información útil p a r a otros usuarios o sistemas. U n a red de sensores o Sensor. Network. está f o r m a d a p o r u n conjunto de dis-. positivos autónomos espacialmente d i s t r i b u i d o s , estos dispositivos o sensores t r a b a j a n cooperativamente p a r a monitorear condiciones físicas o ambientales, tales como t e m p e r a t u r a , sonido, vibración, presión, m o v i m i e n t o o contaminantes en diferentes lugares [19]. U n a red de sensores es u n a h e r r a m i e n t a p a r a el censado d i s t r i b u i d o de uno o más. 6.

(24) fenómenos y p a r a reportar los datos censados a uno o más observadores [21]. L a s redes de sensores son u t i l i z a d a s en aplicaciones tales como el estudio de an imales en su medio ambiente n a t u r a l o p a r a monitoreo de entornos naturales, el ben eficio de estas aplicaciones es el obtener datos de f o r m a r e m o t a p a r a evitar riesgos que pueden poner en peligro l a v i d a de u n ser h u m a n o o en aplicaciones donde l a presencia del hombre impediría u n estudio objetivo de a l g u n a e n t i d a d o entorno, este es el caso de especies animales que son fácilmente ahuyentadas por l a presencia h u m a d a [19]. L a s aplicaciones donde se u t i l i z a n redes de sensores pueden ser m u y diversas y no l i m i t a r s e a u n solo d o m i n i o , las redes de sensores se u t i l i z a n en proyectos de investigación p a r a el estudio de especies, estudio del medio ambiente, cuidado de l a salud y h a s t a aplica ciones m i l i t a r e s . L a s redes de sensores tienen múltiples aplicaciones, pero generalmente i n v o l u c r a n a c t i v i d a d e s tales como el monitoreo, rastreo y control. C o m o se mencionó u n a de las aplicaciones de las redes de sensores son las a p l i caciones médicas y u n ejemplo de estas son las Body Area Sensor. Networks. (BASN). [10] las cuales mediante u n a serie de sensores ubicados en el cuerpo de u n a persona se obtienen datos biométricos de u n a persona. L a s B o d y A r c a Sensor N e t w o r k s proveen el censado, procesamiento y comunicación de datos. L o s datos obtenidos con u n a Body Area Sensor Network. pueden ser t r a n s m i t i d o s. a otros sistemas y en u n a aplicación médica donde se usan Body Area Sensor. Net. works se puede hacer uso del acceso a más información del paciente como es el caso del expediente clínico del paciente incluyendo todo lo que sería registro histórico de padecimientos del paciente, l a medicación que recibe y el conjunto de pruebas médicas realizadas a l paciente. L o anterior se representa en l a figura 1.1.. F i g u r a 1.1: Aplicación médica de las redes de sensores. 7.

(25) E s t e proyecto de investigación se enfoca en l a extracción de datos de u n a red de sensores c o n l a a y u d a de u n d i s p o s i t i v o móvil p a r a procesar estos datos, así m i s m o se p l a n t e a c o m o se puede tener acceso a otras fuentes de información y a otros sistemas.. 1.6.. Estructura de la tesis E l proceso de investigación plasmado en este d o c u m e n t o se d i v i d e en cinco capítu. los y el contenido de estos se describe a continuación. • C a p í t u l o 2: Se plantea el p r o b l e m a a resolver en este proyecto de tesis y se a b o r d a n los ternas técnicos y teóricos necesarios p a r a el desarollo del proyecto. Se a b o r d a n temas tales como el uso de tecnologías R F I D , B l u e t o o t h , redes de sensores, desarrollo de aplicaciones con A n d r o i d , uso de W e b Services, entre otros. • C a p í t u l o 3: Se describe l a a r q u i t e c t u r a propuesta p a r a resolver el p r o b l e m a que se plantea, así como sus componentes y l a interacción entre ellos. • C a p í t u l o 4: E n este capítulo se discuten los detalles de l a implamentación, así co m o las l i m i t a n t e s que en este se presentaron. • C a p í t u l o 5: Se presentan las concluciones del trabajo de investigación y también se p r o p o n e n trabajos que pueden hacerse en u n futuro t o m a n d o como base este o parte de este trabajo de investigación.. 8.

(26) Capítulo 2. Marco Teórico. E n este capítulo se pretende entrar más en forma en el proyecto de tesis empezan do por el planteamiento del p r o b l e m a a resolver y p a r a llegar a comprender de u n a mejor m a n e r a el c ó m o se logró alcanzar los objetivos del proyecto de tesis, es nece sario conocer más a fondo conceptos de redes de sensores, comunicación en dispositivos móviles, además de herramientas y protocolos que harán posible l a interacción de dis positivos móviles con sensores y otras aplicaciones p e r m i t i e n d o l a c a p t u r a de datos y l a integración de l a información generada por las redes de sensores.. 2.1.. Planteamiento del problema Desde el m o m e n t o en que se empieza a atender a u n a persona se empieza a formar. su h i s t o r i a clínica l a c u a l sirve, a los médicos involucrados, p a r a t o m a r decisiones en l a atención del paciente. P r o p i a m e n t e el "expediente clínico" (o h i s t o r i a clínica) de u n a persona, como l a p a l a b r a lo i n d i c a , es el documento donde se recogen en o r d e n cronológico todos los datos de l a m i s m a , relacionados con su estado de s a l u d o enfermedad [24]. L a h i s t o r i a clínica pude ser t o m a d a en lugares como: consultorio médico, d o m i cilio, c o n s u l t a externa, servicio de urgencias o sala de ingreso hospitalario; y consta de dos componentes p r i m a r i o s : el interrogatorio y el examen físico [24]. E l c u i d a d o de los pacientes es guiado por l a integración de l a queja p r i n c i p a l , his t o r i a l clínico, signos vitales y examen físico [24]. E l propósito del examen físico también es variable; puede realizarse en respuesta a determinados síntomas que refiera u n enfermo, y a sea de urgencia o disponiendo de t i e m p o suficiente p a r a u n examen físico más completo, o p a r a detectar l a existencia de. 9.

(27) enfermedades asintomáticas, como sucede en los exámenes médicos periódicos a traba jadores, estudiantes o grupos en riesgo [24]. L o s médicos deben mantenerse con mucho interés en los signos vitales del paciente. E n l a t a b l a 2.1 se muestran los cinco signos vitales clave que son: t e m p e r a t u r a , pulso, presión sanguínea, frecuencia respiratoria y saturación de oxigeno; y sus escalas nor males y sus escalas de pánico en adultos saludables [8].. Temperatura Pulso Respiraciones Saturación de oxigeno Presión sanguínea sistólica Presión sanguínea diastólica. Normal. Pánico. 36-38°C (96.8-100.4°F) 60 a 100 por m i n u t o 12 a 20 por m i n u t o 95-100% 90-130 m m H g 60-90 m m H g. 40°C (104°F) <45 p o r m i n u t o , >130 por m i n u t o <10 p o r m i n u t o , >26 p o r m i n u t o <90% <80 m m H g , >200 m m H g <55 m m H g , >120 m m H g. T a b l a 2.1: R a n g o s normales y de pánico p a r a los signos vitales clave en adultos L o s valores de l a t a b l a 2.1 son valores normales p a r a adultos saludables. C u a n do se e n c u e n t r a n valores dentro de los valores de pánico es necesaria l a atención del proveedor de servicios de salud [8]. D u r a n t e l a atención médica pre-hospitalaria y h o s p i t a l a r i a el t i e m p o es u n factor de m u c h o valor, y a que entre más pronto se puede t o m a r u n a acción p a r a estabilizar a u n paciente, l a s t i m a d o o con u n a crisis, mayor es l a p r o b a b i l i d a d de salvar su v i d a . A l hacer más actividades al m i s m o t i e m p o se requiere de menos t i e m p o p a r a atender a u n paciente y precisamente el propósito de este proyecto de tesis es proponer u n a a r q u i t e c t u r a de software que ayude a obtener información de u n a red de sensores que se instale en el cuerpo del paciente e incluso en su entorno próximo p a r a poder hacer l e c t u r a de sus signos vitales y condiciones ambientales del lugar donde se encuentra el paciente. D u r a n t e el t i e m p o que se obtienen los datos antes mencionados el médico puede i r avanzando c o n l a entrevista del paciente o en caso extremo empezar a b r i n d a r l e primeros auxilios.. L a a r q u i t e c t u r a de software que se propone está basada en el uso de u n d i s p o s i t i v o móvil con s i s t e m a operativo A n d r o i d y se u t i l i z a n las tecnologías de R F I D y B l u e t o o t h p a r a obtener información de u n a red de sensores. Y el p r o b l e m a que se pretende resolver es el hacer más ágil l a obtención de signos vitales y así m i s m o p e r m i t i r l a interacción de u n a aplicación de u n dispositivo móvil con otros sistemas.. 10.

(28) 2.2.. Dispositivos móviles E n el c ó m p u t o móvil los usuarios no están adjuntos a u n a locación geográfica fija,. sino que c a m b i a n el p u n t o a l que están adjuntos c a d a vez que se mueven. E l cómputo móvil h a hecho posible que l a gente trabaje desde cualquier lugar y en cualquier m o mento a través de l a comunicación con redes inalámbricas [mobile data and. transaction. management]. A l g u n a s de las principales limitaciones del cómputo móvil son: • B a j o ancho de banda: E l conectarse a redes inalámbricas puede representar el que se h a g a uso de redes de bajo ancho de b a n d a p r i n c i p a l m e n t e si se está a l exterior de u n a empresa que cuenta con su p r o p i a red inalámbrica. • Desconexiones frecuentes: E s t a s pueden ser producidas por hacer uso de u n a conexión con señal baja o por interferencias causadas por otros dispositivos. • A l t a v a r i a b i l i d a d de ancho de banda: Dependiendo de l a c o b e r t u r a d e l lugar donde se encuentre el d i s p o s i t i v o móvil y agregando l a interferencia de otros dispositivos puede causar que el ancho de b a n d a e intensidad de l a conexión sea variable. • Desconexiones previsibles: A l estar en m o v i m i e n t o el d i s p o s i t i v o es común que se p u e d a entrar en u n área donde l a señal de l a conexión inalámbrica sea m u y b a j a o incluso nula. • Costoso: E l a d q u i r i r u n a conexión de u n a red de telefonía celular puede hacer que el costo de i m p l e m e n t a r u n proyecto que involucre conexión inalámbrica se eleve. • Energía de l a batería l i m i t a d a : A c t u a l m e n t e las baterías de dispositivos móviles solo a l c a n z a n u n a d u r a b i l i d a d de horas lo que hace que se d e p e n d a de recargar constantemente el d i s p o s i t i v o móvil o de contar con más de u n a batería. • Recursos l i m i t a d o s : A l ser u n d i s p o s i t i v o móvil no puede esperarse que tenga las m i s m a s capacidades de procesamiento que u n equipo de cómputo como u n a l a p t o p o u n a c o m p u t a d o r a de escritorio, p o r lo que las tareas que se requiere que realice el d i s p o s i t i v o móvil este acorde a l a c a p a c i d a d de este. • Tamaño l i m i t a d o del dispositivo y su p a n t a l l a : E s t o puede hacer i n c ó m o d o p a r a algunos usuarios el consultar información. Y p a r a los desarrolladores de aplicaciones p a r a estos dispositivos puede representar u n reto desplegar información al usuario en el d i s p o s i t i v o móvil.. 11.

(29) • Susceptible a daño de datos p o r robo o accidentes: S u reducido tamaño lo hace fácil de o l v i d a r o incluso de que pueda ser robado y por lo m i s m o se perderían todos los datos contenidos en el dispositivo. • R á p i d o c a m b i o de locación: Este t i p o de dispositivos son precisamente. para. b r i n d a r m o v i l i d a d a l usuario y el cambio de locación constante puede traer como consecuencia l a pérdida de conexión inalámbrica. • E s c a l a b i l i d a d : D e b i d o a l a variedad de sistemas operativos es difícil desarrollar aplicaciones que sean compatibles con todos los dispositivos y además de esto el c a m b i o de versión del sistema operativo puede afectar l a escalabilidad de las aplicaciones. • S e g u r i d a d : C o m o se mencionó antes su tamaño lo hace susceptible a robo y esto representa u n riesgo de seguridad y a que no solo puede ser robado el dispositivo sino también l a información. E n las aplicaciones móviles al igual que en las aplicaciones de cómputo fijo suelen u t i l i z a r s e arquitecturas tales como Peer to Peer, C l i e n t e Servidor, o a l g u n a otra. Pero sea c u a l sea l a a r q u i t e c t u r a hay detalles que es i m p o r t a n t e tener en cuenta p a r a poder sobreponer las limitaciones del cómputo móvil como por ejemplo en l a a r q u i t e c t u r a cliente servidor es recomendable que los clientes trabajen en m o d o desconectado p a r a de esta f o r m a extender el t i e m p o de v i d a de l a batería evitando el uso de l a conexión i n alámbrica p o r m e d i o de evitar l a transmisión y recepción constante de información [16]. E n el c ó m p u t o móvil los usuarios pueden c o m p a r t i r su información pero el asegurar l a consistencia de esta información es mas difícil en el cómputo móvil debido a las l i m i t a c i o n e s y restricciones de los dispositivos y de los canales de comunicación inalámbrica [16]. Según B u d i a r t o et al. [12] a l igual que las aplicaciones de cómputo fijo las de c ó m p u t o móvil también manejan datos y por t a l m o t i v o tienen l a necesidad de usar bases de datos pero en este punto también hay complicaciones y a que los ambientes donde son desarrolladas estas bases de datos es u n a m e z c l a de dos redes, las redes fijas y las redes inalámbricas. L a s redes inalámbricas s o p o r t a n topologías dinámicas, pero c o n u n a b a j a c a p a c i d a d , u n a b a j a confiabilidad y u n alto costo de conexión. P a r a evitar el c o m p r o m e t e r el desempeño de l a base de datos debido a l uso de redes inalámbricas es necesario el uso de técnicas que ayuden a: • R e d u c i r el número de intercambios de datos a través de redes inalámbricas • R e d u c i r el t i e m p o de respuesta a l acceder a datos a través de redes inalámbricas 12.

(30) • P r o v e e r cache de datos en hosts móviles L a l i m i t a n t e de recursos en los dispositivos móviles trae como consecuencia u n nuevo reto que es el mantener l a consistencia entre los datos de u n a base de datos de los hosts fijos y los móviles p a r a superar este reto es necesario hacer uso de técnicas que ayuden a l a administración de las transacciones en bases de datos móviles y p e r m i t a l a localización de las replicaciones de las bases de datos móviles en las redes fijas [2].. 2.3.. Redes de sensores U n a red de sensores o Sensor. Network. está f o r m a d a por u n conjunto de dis. positivos autónomos espacialmente distribuidos, estos dispositivos o sensores t r a b a j a n cooperativamente p a r a monitorear condiciones físicas o ambientales, tales como tem p e r a t u r a , sonido, vibración, presión, m o v i m i e n t o o contaminantes en diferentes lugares [19]. E n l a figura 2.1 se puede apreciar u n a representación básica de u n a red de sensores.. F i g u r a 2.1: Representación básica de u n a red de sensores. L a s redes de sensores tienen múltiples aplicaciones, pero generalmente i n v o l u c r a n actividades tales como el monitoreo, rastreo y control. L a s redes de sensores pueden utilizarse en múltiples aplicaciones donde se requiera el extraer datos de algún entorno u objeto. L a s aplicaciones de redes de sensores seguirán creciendo en campos tales co m o l a a g r i c u l t u r a de precisión, monitoreo de ambientes, cuidado de l a s a l u d de forma 13.

(31) r e m o t a y s e g u r i d a d . E l g r a n reto que h a y en las redes de sensores es crear métodos efectivos p a r a l a fusión automática e interpretación de l a información generada por los sensores de las redes de sensores. D e acuerdo a Römer et a l . [19] las redes de sensores consisten de nodos de sensores heterogéneos, pueden estar d i s t r i b u i d o s en u n a topología de red y u t i l i z a r l a infraestruct u r a de comunicación existente. L o s nodos de sensores no necesariamente deben estar en u n lugar fijo también pueden estar sobre entidades móviles además los sensores podrían contar c o n capacidades automotrices. L a m o v i l i d a d que posean los sensores puede clasificarse de dos formas como a c t i v a (el sensor es a u t o m o t r i z ) o pasiva (el sensor está sobre u n objeto en m o v i m i e n t o ) . E n el desarrollo de u n a red de sensores h a y aspectos m u y i m p o r t a n t e s a t o m a r en c u e n t a tales como el costo de los sensores que p u e d e n tener u n precio que vaya desde centavos h a s t a cientos de dólares, l a energía y recursos de comunicación son otros dos factores i m p o r t a n t e s y a que estos dos en los sensores p u e d e n ser l i m i t a d o s y son factores que hay que o p t i m i z a r a l máximo. I n i c i a l mente las redes de sensores estaban pensadas p a r a t r a b a j a r con sensores homogéneos, es decir, que fueran m u y parecidos en hardware y software debido a que los costos de producción serían menores pero esto cambio y a que muchos sistemas p r o t o t i p o s existentes hoy en día están formados por u n a v a r i e d a d de dispositivos diferentes. L o s nodos en u n a r e d de sensores pueden diferir en el t i p o y número de sensores adjuntos, algunos p u e d e n tener más p o d e r de cómputo y estos nodos pueden colectar, procesar y rutear información censada p o r otros nodos más l i m i t a d o s . E l grado de heterogeneidad en las redes de sensores es u n factor m u y i m p o r t a n t e y a que afecta l a c o m p l e j i d a d del software ejecutado en los nodos sensores y en l a a d m i n istración de t o d o el sistema. P a r a l a comunicación entre nodos sensores se pueden usar diferentes m o d a l i d a d e s de comunicación tales como radio, l u z difusa, láser, a c o p l a m i e n to i n d u c t i v o y c a p a c i t i v o , o incluso sonido. Quizás l a m o d a l i d a d más común es l a o n d a de r a d i o , y a que no requieren u n a línea libre de señal y l a comunicación a través de los rangos del m e d i o pueden ser i m p l e m e n t a d a s con relativamente poco consumo de energía y r e l a t i v a m e n t e pocas antenas. E l usar luz i m p l i c a l a necesidad de u n línea libre de señal y puede ser interferido p o r l u z ambiental o l u z de día, pero p e r m i t e el uso de transmisores receptores mas pequeños y eficientes en el uso de energía comparados con los de l a comunicación por radio. E l acoplamiento i n d u c t i v o y c a p a c i t i v o solo t r a b a j a a c o r t a d i s t a n c i a , pero puede ser usado p a r a dar poder a u n nodo sensor, p o r ejemplo los sistemas pasivos R F I D (Radio. Frequency. Identification). usan acoplamiento i n d u c t i v o. [19]. L a s diferentes modalidades de comunicación pueden ser usadas en diferentes formas. D o s formas comunes son las así l l a m a d a s infraestructuras basadas en redes y 14.

(32) las redes ad hoc. E n las infraestructuras basadas en redes los nodos sensores solo se pueden c o m u n i c a r directamente c o n u n dispositivo l l a m a d o estación base, l a c o m u n i cación entre sensores es r e t r a n s m i t i d a a través de las estaciones base y si h a y múltiples estaciones base estas deben ser capaces de comunicarse entre ellas. E n las redes ad hoc los nodos se pueden c o m u n i c a r entre ellos sin u n a infraestructura, los nodos pueden a c t u a r c o m o routers reenviando los mensajes. L a topología seleccionada p a r a l a red de sensores puede afectar aspectos tales como l a latencia, robustez y c a p a c i d a d , así m i s m o l a c o m p l e j i d a d del ruteo y procesamiento de datos también dependen de l a topología seleccionada p o r ello hay que ser cuidadoso a l hacerlo [19]. L a s redes de sensores son diseñadas con diferentes objetivos, p o r ejemplo pueden ser diseñadas p a r a obtener y procesar información de u n entorno p a r a tener u n mejor entendimiento del c o m p o r t a m i e n t o de l a entidad m o n i t o r e a d a , también pueden ser diseñadas p a r a m o n i t o r e a r u n entorno debido a l a o c u r r e n c i a de u n conjunto de eventos y dependiendo del que o c u r r a se tome l a acción mas a p r o p i a d a . E l p r i n c i p a l p r o b l e m a en las redes de sensores es l a forma en que los datos colectados son procesados, es en este c o n t e x t o donde l a fusión de información surge como u n a d i s c i p l i n a que tiene que ver c o n l a f o r m a en que los datos son obtenidos por los sensores y puede ser procesada p a r a i n crementar l a relevancia de l a m a s a de datos. Más propiamente l a fusión de información puede ser definida como l a combinación de múltiples fuentes p a r a obtener información mejorada, es decir, más barata, de m a y o r c a l i d a d o de m a y o r relevancia. L a fusión de información es más comúnmente u t i l i z a d a en tareas de detección y clasificación en diferentes d o m i n i o s de aplicación, tales como l a robótica y aplicaciones m i l i t a r e s . L a fusión de información a b a r c a l a teoría, técnicas y herramientas creadas y aplicadas p a r a e x p l o t a r l a sinergia en l a información o b t e n i d a de múltiples fuentes tales c o m o sensores, bases de datos e información p r o p o r c i o n a d a p o r seres humanos de m o d o t a l que l a decisión o acción resultante sea mejor que l a que se hubiese logrado si a l g u n a de estas fuentes se hubiese usado i n d i v i d u a l m e n t e sin explotar l a sinergia antes m e n c i o n a d a [18].. E n u n a red sensores los nodos tienen muchas l i m i t a n t e s y u n a f o r m a de sobreponerse a las fallas, limitaciones técnicas y problemas espaciales y de c o b e r t u r a t e m p o r a l de los sensores, p o r lo que tres propiedades deben ser aseguradas: cooperación, r e d u n d a n c i a y c o m p l e m e n t a r i e d a d . U s u a l m e n t e , u n a región de interés puede ser completamente c u b i e r t a c o n el uso de varios nodos sensores, c a d a uno cooperando con l a v i s t a p a r c i a l de l a escena; l a fusión de información puede ser u s a d a p a r a componer l a v i s t a c o m p l e t a a p a r t i r de las piezas proporcionadas por c a d a nodo. L a r e d u n d a n c i a hace que l a red de sensores sea menos vulnerable a falla de u n sensor único y el traslapar las medidas puede a y u d a r a obtener datos más precisos. D e b i d o a las propiedades de r e d u n d a n c i a y cooperación comúnmente las redes de sensores están compuestas de u n gran número de nodos sensores posicionando u n reto de escalabilidad causado por colisiones potenciales. 15.

(33) y transmisión de datos redundantes. C o n s i d e r a n d o las restricciones de energía, l a comunicación debe ser r e d u c i d a p a r a incrementar el t i e m p o de v i d a de los nodos sensores. P o r t a l m o t i v o l a fusión de información es i m p o r t a n t e p a r a reducir l a c a r g a t o t a l de comunicación en l a red, a través de evitar l a transmisión de mensajes redundantes. P o r t o d o lo m e n c i o n a d o anteriormente l a fusión de información debe ser considerada como u n paso c r i t i c o en el diseño de u n a red de sensores [18]. L o s nodos en las redes de sensores son propensos a fallas p a r t i c u l a r m e n t e están en t e r r i t o r i o s hostiles donde los riesgos de daños o destrucción son significativamente altos. E n algunas aplicaciones es necesario tener a l g u n a garantía de l a c o b e r t u r a , conect i v i d a d y t i e m p o de v i d a de l a red de sensores. L a red de sensores debe ser capaz de adaptarse a a l g u n a o algunas fallas de nodos así como también interrupciones debido a las l i m i t a c i o n e s inherentes de l a comunicación inalámbrica. L a escalabilidad y el t i e m p o de v i d a de l a r e d de sensores están l i m i t a d o s por el rango l i m i t a d o de transmisión y l a energía de las baterías de los nodos sensores [1]. B a r i et a l . [1] p r o p o n e n el organizar l a red de sensores en u n a jerarquía de dos niveles superpuestos donde los nodos sensores de l a c a p a inferior se organicen en clusters y estos nodos sensores t r a n s m i t a n a su respectiva c a b e z a de cluster. L a s cabezas de clusters son las que formaran l a c a p a superior de l a red de sensores, las cabezas de clusters son responsables de recolectar y reenviar los datos h a c i a las estaciones base. Así m i s m o se p r o p o n e el uso de nodos de reenvío p a r a balancear los datos obtenidos, reducción del rango de transmisión y t o l e r a n c i a a errores. Estos nodos pueden ser provistos de u n alto n i v e l de energía y funcionalidad adicional, a diferencia de los nodos sensores, y estos nodos de reenvío son apropiados p a r a servir como cabezas en u n a red jerárquica de dos capas o niveles superpuestos.Esta a r q u i t e c t u r a se representa en l a figura. 2.2.. 16.

(34) E l m a y o r c o n s u m o de energía en las redes de sensores es p r o d u c i d o p o r l a c o m u nicación inalámbrica, el cual a u m e n t a rápidamente c o n l a d i s t a n c i a entre l a fuente y el destino de l a comunicación. E l t i e m p o de v i d a de u n a red de sensores está típicamente d e t e r m i n a d o p o r l a energía de l a batería del o de los nodos críticos en l a red de sensores, es por ello que es extremadamente i m p o r t a n t e el buscar estrategias que e x t i e n d a n el t i e m p o de v i d a de los nodos críticos y consecuentemente de t o d a l a red de sensores. E n l a a r q u i t e c t u r a de dos niveles superpuestos los nodos con mayor abastecimiento de energía son las cabezas de cluster y los nodos sensores c o n menor abastecimiento de energía t r a n s m i t e n directamente a su respectiva cabeza de cluster y son liberados de l a c a r g a de ruteo y reenvío, lo cual reduce el consumo de energía de los nodos sensores, los nodos de reenvío recolectan los datos de los nodos sensores de su p r o p i o cluster y los reenvían a l a estación base [1].. U n a red de sensores puede verse como u n a h e r r a m i e n t a p a r a el censado d i s t r i b u i d o de uno o más fenómenos y p a r a reportar los datos censados a uno o más observadores. E l desempeño de u n a red de sensores es mejor medido en términos de c u m p l i r c o n los requerimientos de precisión y retardo. Métricas adicionales de desempeño i n c l u y e n el t i e m p o de v i d a de l a red de sensores, el costo de los sensores y su desarrollo, l a tolera n c i a a fallas y l a escalabilidad. C o n c e p t u a l m e n t e u n a red de sensores está o r g a n i z a d a en u n s i s t e m a de tres capas: (1) infraestructura: se refiere a los sensores físicos (sus características físicas y capacidades), el número de sensores y su estrategia de desarrollo; (2) p r o t o c o l o de red: responsable de l a dispersión de los datos censados p o r medio de l a creación y m a n t e n i m i e n t o de rutas entre los nodos y los observadores de algún o algunos fenómenos; y (3) l a aplicación: responsable de t r a d u c i r los intereses del observador en operaciones a nivel de red. H a c i e n d o o p t i m i z a c i o n e s a lo largo de los tres niveles p o s i b i l i t a l a mejora en el desempeño de l a red de sensores [21].. 17.

(35) 2.3.1.. Características de las redes de sensores. U n a red de sensores inalámbrica generalmente consiste de u n a gran c a n t i d a d de nodos sensores de bajo costo, bajo poder y multifuncionales que se colocan en u n a región de interés. Estos nodos son más pequeños pero equipados c o n sensores, procesadores embebidos y transmisor receptor de radio, y si los nodos son así pueden tener capacidades de censado, procesamiento y comunicación. L a comunicación se hace a c o r t a d i s t a n c i a en u n medio inalámbrico y los nodos c o l a b o r a n p a r a realizar una tarea común. C o m p a r a n d o las redes de sensores inalámbricas c o n las alámbricas se tienen las siguites características y restricciones [27]: • Nodos sensores. alimentados. por baterías. L o s nodos sensores son comúnmente ali-. mentados p o r baterías. E n l a mayoría de las situaciones son puestos en ambientes hostiles que hacen difícil e incluso imposible el recargar las baterías. • Severas restricciones. de energía, comunicación. y almacenamiento.. L o s nodos sen-. sores están altamente l i m i t a d o s en cuanto a capacidades de energía, comunicación y almacenamiento. • Aplicación. especifica. Las redes de sensores son p a r a aplicaciones específicas. U n a. red de sensores es diseñada e i m p l e m e n t a d a p a r a u n a aplicación específica. L o s requerimientos de diseño de u n a red c a m b i a n con l a aplicación. • Nodos sensores. no confiables. L o s nodos son comúnmente puestos en ambientes. violentos u hostiles y operan sin asistencia. Y por lo m i s m o son propensos a daños o fallas. • Patrón. de tráfico. de muchos. a uno. E n l a mayoría de las aplicaciones de las. redes de sensores los datos censados por los nodos sensores fluyen desde múltiples fuentes h a c i a u n p u n t o p a r t i c u l a r exhibiendo u n patrón de tráfico de muchos a uno. • Redundancia. de datos. L o s nodos sensores pueden ponerse de m a n e r a m u y densa. en u n a región lo que puede hacer que tengan u n cierto nivel de correlación o redundancia.. 2.3.2.. B o d y Area Sensor Networks. L a s Body Area Sensor Networks. [10] son redes de sensores que mediante u n a serie. de sensores ubicados en el cuerpo de u n a persona se obtienen datos biométricos de l a persona. L a s Body Area Sensor. Networks. proveen capacidades de censado, proce-. samiento y comunicación de datos, y son u n a innovación en el c u i d a d o de l a salud, el entrenamiento y el entretenimiento. L a s Body Area Sensor 18. Networks. a l igual que.

(36) cualquier o t r a red de sensores también tiene problemas tales como el consumo de energía, el manejo de recursos de procesamiento, almacenamiento, comunicación y l a l a t e n c i a entre otros. L a investigación en las Body Area Sensor Networks. se h a concen-. t r a d o en aplicaciones médicas p a r a evitar las debilidades de l a recolección t r a d i c i o n a l de los datos de u n paciente tales como l a imprecisión y el muestreo. L a s Body Sensor. Network. Area. pueden interactuar con sistemas existentes tales como redes de hos-. pitales y casas de retiro. L o s sensores de estas redes proveen datos a l body aggregator (dispositivo móvil), el cual es encargado de a d m i n i s t r a r los eventos del cuerpo, el body aggregator. desempeña varias funciones, incluyendo el censado, fusión de datos de los. sensores d i s t r i b u i d o s en el cuerpo y funcionar como interfaz de usuario. L a figura 2.3 m u e s t r a c u a l es l a implementación de u n a Body Area Sensor Network a través del body aggregator. donde el usuario. i n t e r a c t u a con l a red de sensores c o l o c a d a en su cuerpo. y además su médico y servicios de emergencia o grupos de investigación pueden tener acceso a l a información que genere l a red de sensores.. F i g u r a 2.3: B o d y A r e a Sensor N e t w o r k [10]. 19.

(37) 2.4.. R F I D - Radio Frecuency Identification R F I D es u n a tecnología inalámbrica de identificación, por medio de l a c u a l es posi. ble tener información en t i e m p o real de los productos y el estado en que se encuentran dentro de l a C a d e n a de S u m i n i s t r o . T o d o esto por medio de ondas Electromagnéticas que v i a j a n p o r el aire llevando y trayendo información [4]. R F I D a p l i c a los mismos p r i n c i p i o s de l a física que los usados en el b r o a d c a s t i n g de radio, donde las ondas de r a d i o son u n a f o r m a de energía electromagnética que t r a n s m i t e y recibe varios tipos de datos [26]. R F I D tiene sus raíces en los primeros sistemas militares de identificación. Y es basado en u n conjunto de innovaciones tecnológicas que comenzaron a p r i n c i p i o s de 1940. P o s t e r i o r m e n t e empezaron a parecer productos en el mercado. L a p r i m e r a apli cación c o m e r c i a l c o n mérito de tecnología de identificación electrónica fue el rastreo de vehículos, y l a p r i m e r implementación. se hizo, con l a a u t o r i d a d de puerto de N u e v a. Y o r k y de N e w Jersey, p r o b a b a u n a aplicación electrónica p a r a l a recolección a u t o m a t i z a d a de peaje ofrecida por P h i l i p s , G E , Westinghouse y G l e n a y e r Technologies. O t r o s vendedores de aplicaciones p a r a l a radio detección, p a r a el rastreo de ganado, monitoreo del m o v i m i e n t o de vehículos y administración de cadena de suministros (todo esto fue alrededor de 1970). P a r a l a década de 1980 y p r i n c i p i o s de 1990 los sistemas de R F I D m a d u r a r o n , así c o m o las aplicaciones y mercado de R F I D [25].. R F I D se puede u t i l i z a r en diferentes aplicaciones en l a i n d u s t r i a y el negocio; y los p r i n c i p a l e s beneficios que p r o p o r c i o n a son [26]:. • S e g u r i d a d y autenticación: M e d i a n t e etiquetas R F I D de puede identificar de m a n era casi única a objetos, personas o animales. Y esto se puede u t i l i z a r en apli caciones tales c o m o l a v i g i l a n c i a electrónica de artículos, autenticación de d o c u mentos y chequeo electrónico de a u t e n t i c i d a d de medicamentos. • S e g u r i d a d física: M e d i a n t e dispositivos con R F I D se puede proveer ambientes más seguros p a r a empleados y clientes, y esto puede traer beneficios monetarios. A l g u nas aplicaciones que ejemplifican esto son: monitoreo de personas,. identificación. de pacientes, y monitoreo y censado de aplicaciones. • E f i c i e n c i a de procesos: L o s negocios siempre están buscando mejorar su e s t r u c t u r a de costos. U n a f o r m a de reducir los gastos adicionales de l a empresa es hacer más eficientes varios procesos operacionales. R F I D p o s i b i l i t a aplicaciones que pueden ofrecer l a c a p a c i d a d de monitoreo p a r a mejorar u n a a m p l i a g a m a de procesos. D e b i d o a que las tecnologías R F I D pueden c a p t u r a r electrónicamente. 20.

(38) datos durante ciertos pasos en u n proceso, los datos de resultados operacionales se v u e l v e n disponibles en t i e m p o real. U n s i s t e m a de R F I D comúnmente se compone p o r tres elementos: u n receptor t r a n s m i s o r o tag, el receptor o lector y l a antena; estos tres elementos a l juntarse cons t r u y e n u n s i s t e m a de R F I D . Variaciones en l a alimentación de energía, tamaño, diseño de l a antena, frecuencia de operación, c a p a c i d a d de datos y el software p a r a a d m i n i s t r a r e interpretar los datos crea u n g r a n número de posibles aplicaciones donde l a tecnología R F I D puede usarse p a r a resolver problemas reales d e l m u n d o de los negocios [26].. 2.4.1.. Sistema R F I D. L o s componentes de u n sistema R F I D pueden agruparse en dos bloques [26]: • C o m p o n e n t e s de hardware •. Tag. U n t a g o receptor transmisor, mantiene los datos que son t r a n s m i t i d o s al lector c u a n d o el t a g es interrogado p o r el lector.. •. Lector.. E s el dispositivo que c a p t u r a y procesa los datos d e l t a g . A l g u n o s. lectores pueden escribir datos en los tags. E l lector sirve como interfaz a l a c o m p u t a d o r a host. •. Antena.. E s el conducto p a r a l a comunicación entre el t a g y el lector. E l diseño. de l a a n t e n a y su colocación j u e g a u n p a p e l i m p o r t a n t e en d e t e r m i n a r l a z o n a de c o b e r t u r a , el rango y l a precisión de l a comunicación. • C o m p o n e n t e s de Software •. Software. del sistema. de RFID.. E s l a colección de funciones necesarias p a r a. p o s i b i l i t a r l a interacción básica entre u n t a g y u n lector. •. Middleware.. Consiste de u n conjunto de componentes de software que actúan. como puente entre los componentes d e l sistema R F I D y l a aplicación de software d e l host. •. Software. de aplicación.. E s el que recibe, procesa y n o r m a l i z a los datos envi-. ados p o r e l tag, a través d e l lector y d e l software de m i d d l e w a r e de R F I D .. 2.4.2.. Tags de R F I D. E l t a g , también es conocido como transponder, a l m a c e n a datos y los t r a n s m i t e a l lector c u a n d o es interrogado p o r el lector. L o s tipos más comunes de tags consisten de u n c i r c u i t o integrado c o n m e m o r i a , básicamente u n chip microprocesador. O t r o s tags 21.

(39) no tienen c h i p y no tienen incorporado u n c i r c u i t o integrado[26]. C a d a t a g está compuesto p o r u n a antena y u n chip de silicón que contiene u n receptor de señales de radio, u n m o d u l a d o r de señales de radio p a r a enviar respuestas h a c i a el lector, lógica de cont r o l , a l g u n a c a n t i d a d de m e m o r i a y u n sistema de potencia. E l sistema de alimentación puede ser c o m p l e t a m e n t e alimentado por l a señal de r a d i o frecuencia entrante, en este caso el tag es conocido como t a g pasivo. P o r otro lado, el sistema de alimentación del t a g puede tener u n a batería, en este caso el t a g es conocido como t a g activo [7]. L a s ventajas principales de los tags activos son sus rangos de l e c t u r a y su. fiabili-. d a d . C o n l a antena a p r o p i a d a en el lector y en los tags, u n tag de 915 M H z puede ser leído desde u n a d i s t a n c i a de 30.48 metros o más[7]. L o s tags también tienden a ser más fiables porque no necesitan u n a señal de radio c o n t i n u a p a r a alimentación. M i e n t r a s que los tags pasivos pueden ser más pequeños y baratos y a que no tienen baterías. O t r a ventaja es su l a r g a v i d a útil, y a que mientras las baterías de u n t a g activo solo d u r a n pocos años, u n tag pasivo puede ser leído a u n muchas décadas después de que el chip fue manufacturado [7]. E n t r e los tags activos y los tags pasivos están los semi-activos o semi-pasivos (la convención del nombre varía dependiendo de l a empresa que m a n u f a c t u r a los tags). E s t o s tags tienen u n a batería como los activos pero siguen usando l a energía del lector p a r a t r a n s m i t i r el mensaje de respuesta al lector de R F I D . P o r lo t a n t o estos tags tienen la. fiabilidad. de l e c t u r a de u n tag activo pero el rango de l e c t u r a de u n tag pasivo. Y. también tiene u n a v i d a útil mayor a l a de los tags completamente activos [7]. E l t a g puede realizar tareas básicas ( l e c t u r a / e s c r i t u r a d e s d e / h a c i a l a memoria) o m a n i p u l a r los datos en su m e m o r i a de otras maneras. E l a t r i b u t o de m e m o r i a de u n t a g puede ser solo l e c t u r a ( R O ) , escritura u n a vez l e c t u r a muchas veces ( W O R M ) o lectura-escritura ( R W ) . L a capacidad de escritura en m e m o r i a generalmente. aumenta. el costo de u n tag. A l m i s m o t i e m p o , los tags de solo l e c t u r a e l i m i n a n el riesgo de m a l i c i o s a o accidentalmente sobre escribir los datos de u n tag [7]. E n l a t a b l a 2.4.2 se muestran algunas de las características de los tres tipos de tags [13].. 2.4.3.. Lectores de R F I D. L a función básica de u n lector de R F I D es enviar u n pulso de energía de radio a l t a g y escucha l a respuesta del tag. E l t a g detecta l a energía y envía de regreso l a re-. 22.