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Laboratorio Nacional de Informática Avanzada A. C. R.V.O.E. SEP ES142/2002 29/NOV/2002

“Diseño e Implementación de un Sistema de Alarmas para Casas Inteligentes”

TESIS QUE PARA OBTENER EL GRADO DE

MAESTRO EN REDES Y SISTEMAS INTEGRADOS

PRESENTA RICARDO TERCERO SOLIS

DIRECTOR DE TESIS CORA BEATRIZ EXCELENTE TOLEDO

Xalapa Enríquez, Veracruz.

Marzo 2013


DEDICATORIA

Este gran paso en mi vida quisiera dedicárselo a mi familia (mis papas, mis hermanos, mis sobrinos y sobrina), que han estado a mi lado apoyándome.

De la misma manera se lo dedico a mi amada esposa Kristal que ha sido participe de todos mis proyectos, retos, triunfos y derrotas. Y me ha dado el reto más importante de mi vida, mi hijo Leonardo el cual es mi alegría igual que mi hijo peludo Skipper, el cual paso muchas noches de desvelo a mi lado durante la realización de este proyecto.

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AGRADECIMIENTOS

Quiero agradecer al Dr. Antonio Sanchez y la Maestra Diana Saldaña, los cuales sin su apoyo, aportaciones y confianza, este proyecto no hubiera tenido el resultado obtenido.

Agradezco a la plantilla académica de la Maestría en Redes y Sistemas Integrados, por su dedicación y entrega a este programa académico.

De igual manera quisiera agradecer a la Dra. Cristina Loyo, Directora General del LANIA, por su apoyo y confianza para la obtención de mi grado.

Finalmente agradezco a mi gran amigo Jesús Contreras por su amistad y apoyo durante toda nuestra vida profesional.

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RESUMEN

Las casas inteligentes representan un campo de estudio muy amplio, el cual abarca desde el aspecto social hasta el técnico. El cual requiere un equipo de investigación multidisciplinario. Es debido a este amplio espectro que las soluciones propuestas de solución están focalizadas a problemáticas muy específicas tal como lo es, la supervisión de los adultos mayores a fin de minimizar el riesgo de sufrir heridas graves o la propia perdida de sus vidas, debido a los accidentes domésticos.

Este proyecto cuanta como marco contextual las instalaciones del Laboratorio Crescent en la Universidad Cristiana de Texas, en Estado Unidos, el cual presenta las características idóneas a fin de reproducir las circunstancias y situaciones que se pueden presentar en una casa de una habitación, lo cual permite a los estudiantes tener un enfoque más realista al momento de diseñar e implementar soluciones en el área de casas inteligentes.

4


CONTENIDO Tabla de Figuras .............................................................................................. 7 1.

Introducción .................................................................................................. 8

1.1.

Marco contextual ..................................................................................... 10

1.2.

Problemática ........................................................................................... 11

1.3.

Objetivo general ...................................................................................... 12 1.3.1.

2.

3.

Objetivos particulares .................................................................... 12

1.4.

Justificación ......................................................................................... 12

1.5.

Alcances y Limitaciones....................................................................... 13

1.5.1.

Alcances ........................................................................................ 13

1.5.2.

Limitaciones .................................................................................. 14

Estudio de casos similares ......................................................................... 15 2.1.

Detector de caídas ............................................................................... 16

2.2.

Monitoreo del bienestar de un habitante .............................................. 16

2.3.

Evolución a través de ambientes de casas inteligentes ....................... 17

Propuesta de solución ................................................................................ 19 3.1.

Arquitectura Propuesta ........................................................................ 19

3.1.1.

Módulo de captura de información de sensores ............................ 20

3.1.2.

Módulo de comunicación entre sensores ...................................... 21

3.1.3.

Módulo de recopilación de información de sensores..................... 22

3.1.4.

Módulo de toma de decisiones ...................................................... 23

3.1.5.

Módulo de controlador de dispositivos reactivos ........................... 24

3.2.

Implementación.................................................................................... 24

3.2.1.

Módulo de captura de información de sensores ............................ 24

3.2.1.1.

Estado del sensor de temperatura. ............................................ 25

3.2.1.2.

Estados del sensor de movimiento humano. ............................. 26 5


3.2.1.3.

Estados del sensor de gas. ........................................................ 27

3.2.1.4.

Estado del sensor de smog. ....................................................... 27

3.2.2.

Módulo de comunicación entre sensores. ..................................... 28

3.2.2.1.

4.

3.2.2.1.1.

Capa de red. ........................................................................... 29

3.2.2.1.2.

Capa de presentación. ............................................................ 31

3.2.2.1.3.

Capa de Aplicación. ................................................................ 37

3.2.3.

Módulo de recopilación de información de sensores..................... 40

3.2.4.

Módulo de toma de decisiones ...................................................... 40

3.2.5.

Módulo de controlador de dispositivos reactivos ........................... 40

Resultados ................................................................................................. 43 4.1.

5.

Modelo de comunicación ........................................................... 29

Interfaces físicas y de usuario.............................................................. 44

Conclusiones .............................................................................................. 48

BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................. 50 Anexos .............................................................................................................. 53 Anexo 1 Gas Sensor ...................................................................................... 54 Anexo 2 Sensor de Humedad y Temperatura ............................................... 56 Anexo 3 Sensor de Gas MQ-135 ................................................................... 68 Anexo 4 Sensor de movimiento humano ....................................................... 70

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Tabla de Figuras Ilustración 1 Porcentaje de la Población Mundial de los Adultos Mayores (Banco Mundial, 2009) ............................................................................................................................................... 10 Ilustración 2 Distribución de la Población de 65 años o mas (Banco Mundial, 2009) ................ 10 Ilustración 3 Distribucón de sensores ...................................................................................... 17 Ilustración 4 Arquitectura propuesta ....................................................................................... 20 Ilustración 5 Sensor de movimiento humano........................................................................... 21 Ilustración 6 Sensor de gas y smog .......................................................................................... 21 Ilustración 7 Sensor de temperatura ....................................................................................... 21 Ilustración 8 Topología de los Java Sun SPOTS (Sun Labs, 2009) ............................................... 21 Ilustración 9 Conexión bidireccional entre Java Sun SPOTS ...................................................... 22 Ilustración 10 Interfaces físicas del Free-Range Sun SPOT ........................................................ 25 Ilustración 11 Estados del sensor de temperatura ................................................................... 26 Ilustración 12 Estados del sensor de movimiento humano ...................................................... 26 Ilustración 13 Estados del sensor gas....................................................................................... 27 Ilustración 14 Estados del sensor de smog ............................................................................... 28 Ilustración 15 Modelo de capaz propuesto .............................................................................. 28 Ilustración 16 Capa de red ....................................................................................................... 29 Ilustración 17 Estructura básica del datagrama ....................................................................... 30 Ilustración 18 Capa de presentación ........................................................................................ 31 Ilustración 19 Estructura del encabezado del paquete ............................................................. 32 Ilustración 20 Estructura del cuerpo del paquete NAP ............................................................. 33 Ilustración 21 Estructura del cuerpo del paquete HSRP ........................................................... 33 Ilustración 22 Estructura del cuerpo del paquete HSLP ............................................................ 34 Ilustración 23 Estructura del cuerpo del paquete SSRP ............................................................ 35 Ilustración 24 Estructura del cuerpo del paquete SSRAP .......................................................... 35 Ilustración 25 Estructura del cuerpo del paquete SSRRP .......................................................... 36 Ilustración 26 Estructura del cuerpo del paquete SSP .............................................................. 36 Ilustración 27 Capa de aplicación ............................................................................................ 37 Ilustración 28 Estructura básica del encabezado del servicio ................................................... 38 Ilustración 29 Estructura del cuerpo del servicio de detección de gas ...................................... 39 Ilustración 30 Estructura del cuerpo del servicio de detección de smog ................................... 39 Ilustración 31 Estructura del cuerpo del servicio de detección de temperatura ....................... 40 Ilustración 32 X10 – Firecracker ............................................................................................... 41 Ilustración 33 Cámara AXIS...................................................................................................... 42 Ilustración 34 Firecracker conectado a adaptador Serial-USB .................................................. 44 Ilustración 35 Sun SPOTs Simulador Humo (En Frente), Gas, Temperatura (En Medio) y Movimiento (Atras) ................................................................................................................. 44 Ilustración 36 Pantalla Principal............................................................................................... 45 Ilustración 37 Ventana de configuración.................................................................................. 46 Ilustración 38 Correo electrónico generado GUI de visualización ............................................. 46 Ilustración 39 Imágenes agregas al correo electrónico GUI de visualización............................. 47

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1. Introducción

Una casa inteligente o Smart Home, como se les conoce por su término en inglés debe entenderse como el conjunto de sistemas, dispositivos (computadoras, Smartphone o teléfonos inteligentes, electrodomésticos, etc.), infraestructura (cableado eléctrico, cableado de voz y datos, termostatos, aires acondicionados, hidráulica, gas, etc.) que trabajan de manera coordinada para facilitar las actividades diarias, optimizar el uso de la energía eléctrica, gas, calefacción, aire acondicionado, gastos en despensa y proveer seguridad a los habitantes de la casa (KNX - SMARTHOME DESIGN, 2012). Hoy en día el mercado de las casas inteligentes ha ido en aumento mayormente en los Estados Unidos, en donde los propietarios de casas pueden instalar simples sistemas de video vigilancia que al detectar movimiento, grabe y/o tome una fotografía de una habitación o puerta de acceso a la casa e incluso envíe una notificación vía correo electrónico o mensaje de texto a un smartphone, en otros casos, se pueden inclusive instalar sistemas biométricos que permiten el acceso a la casa a ciertas personas previamente autorizadas sin la necesidad de usar llaves (Srinivasan, Stankovic, & Whiteh, 2010). Otro de los escenarios en donde se utiliza el concepto de casas inteligentes son en los edificios de oficinas, en donde se instalan sofisticados sistemas de iluminación, acceso, video vigilancia y sensores, el cual permite ahorrar energía mediante la modulación automática de las luces de acuerdo a la hora del día y a la presencia de personas en las oficinas, así como el control de la temperatura, reducción de los costos de vigilancia al programar los accesos a las oficinas mediante tarjetas de proximidad o incluso el uso de claves y medios biométricos (ICTSB Project Team, 2000).

Si bien el concepto de casas inteligentes permite generar ahorros en costos de vivienda así como facilitar las actividades diarias de las personas, existe una problemática social en la cual las casas inteligentes encuentran un área de oportunidad muy importante: el cuidado de adultos mayores (Elder care o life assisted, por sus nombres en inglés). Generalmente, el cuidado de adultos mayores implica altos costos Además del deterioro en su estado de ánimo por vivir en casas de retiros, asilos o contratar personal especializado que los cuide en casa; lo que implica que en algunos casos, se, opte por vivir de manera independiente sin nadie que vea por sus seguridad, lo que a su vez eleva la probabilidad de sufrir accidentes domésticos. Se estima que el 75% de las 8


personas de la tercera edad sufren de lesiones por caídas, el 8% se lastiman con objetos filosos, el 6% corren el riesgo de ingerir objetos extraños, otro 3% tienden a sufrir quemaduras entre otras (Wm, TW, & CC, 1999). Si bien todas las personas tenemos la posibilidad de sufrir algún accidente doméstico, es innegable que debido a los factores propios de la edad y la pérdida de reflejos, este tipo de accidentes pueden ser particularmente fatales para las personas pertenecientes al grupo de la tercera edad (65 años o más).

Tabla 1 Comparativa de Servicios de Cuidado (A Place for Mom - Trusted Senior Living Advisor, 2012)

Adicionalmente esta situación ha ido en aumento debido al incremento de la población de 65 años o más, así, a finales del 2003 este grupo de edad representaban poco más del 7% a nivel mundial con una tendencia a la alza a tal grado que para el 2009 este grupo representaba el 7.5% de la población mundial (Ilustración 1), concentrándose mayormente en los países desarrollados (Ilustración 2). Si bien como ya se ha mencionado este problema se presenta mayormente en países desarrollados, en México a finales del 2008 los adultos mayores representaban el 8.2% de la población y se espera que para el año 2050 este grupo demográfico crezca a 27.7% de la población lo cual significaría que 33.8 millones de mexicanos tendrán 65 años o más (Ciudadanos en Red, 2009).

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Ilustración 1 Porcentaje de la Población Mundial de los Adultos Mayores (Banco Mundial, 2009)

Ilustración 2 Distribución de la Población de 65 años o mas (Banco Mundial, 2009)

Como resultado de lo anterior tanto el sector privado como las universidades e instituciones académicas están enfocando sus esfuerzos por proveer diversas alternativas que atiendan aspectos relacionados con este grupo de edad. En particular existe un amplio interés para automatizar las casas de las personas, por ejemplo, el trabajo conjunto que han estado realizando la Universidad de Duke y Home Depot, en donde en una casa/laboratorio de aproximadamente 6,000 pies cuadrados de construcción y con una inversión de 2 millones de dólares, le permite a 450 estudiantes vivir y realizar trabajos de investigación para el desarrollo de productos tecnológicos enfocados a casas inteligentes (Deborah Hill, 2007), otro caso de éxito es el Laboratorio Crescent de la Universidad Cristiana de Texas (TCU por sus siglas en inglés), el cual permite a estudiantes de la universidad, así como a estudiantes de postgrados invitados a participar en proyectos de investigación y desarrollo de soluciones en ambientes de casas inteligentes (Burnell, Sanchez, Priest, & Hannon, 2006).

1.1. Marco contextual

El presente proyecto será diseñado, implementado y probado en el Laboratorio Crescent de la Universidad Cristiana de Texas, el cual esta acondicionado con todos los electrodomésticos, mobiliario necesarios para replicar las condiciones propias de un departamento, con la finalidad de proveer un ambiente contralado e idóneo para la investigación en el área de casas inteligentes, en donde tanto estudiantes como investigadores puedan experimentar de primera mano con las tecnologías comerciales así como aquellas de última generación propuestas por el área de investigación académica, con el propósito de que este ambiente coadyuve al proceso de innovación a fluir de una manera más natural en los estudiantes e investigadores, y así estos puedan proponer soluciones en el 10


campo de casas inteligentes más apegadas a las necesidades reales en esta área, haciendo uso de lo mejor del área comercial como de la academia. Es importante mencionar que este proyecto formara parte del programa de Summer Interuniversity Research Program, siendo esta la tercer y última estancia de investigación que TCU realizara. Por tal motivo se considera el aprovechar el resultado de los trabajos realizar por las dos estancias anteriores en las tecnologías del protocolo X10 y de los dispositivos Java Sin SPOT.

1.2. Problemática

Tomando en cuenta las capacidades que el Laboratorio Crescent tiene, las áreas de oportunidad en las cuales este proyecto puede incidir, tales como los altos costos de las soluciones comerciales que actualmente se encuentran en el mercado y que están en el rango de los miles de dólares, y requieren de instalación de infraestructura complejas a fin de tener un control total de las casas, aunado a esto también se vislumbra la falta de comunicación con el mundo exterior, esto quiere decir que la información que se genera dentro de la casa inteligente solo es conocida por los habitantes de la misma y en ningún momento se contempla el compartir información con familiares e incluso los servicios de emergencia a fin de prevenir riesgos a la vida de los habitantes de la casa inteligente. Si bien las casas inteligentes tienen el propósito de dar un control total a los habitantes y mantenerlos cómodos y seguros, existe un sector de la sociedad el cual se podría ver mayormente beneficiado por los resultados de este proyecto: como ya se ha mencionado en el capítulo anterior, los adultos mayores o grupo de la tercera edad son más propensos a sufrir accidentes caseros, desde una caída hasta sufrir una quemadura o incluso encontrarse en un incendio, por lo cual requieren de supervisión especial, la cual puede resultar muy costosa e invasivo a la vida de los adultos mayores, es por eso que este proyecto se focaliza principalmente a proponer una solución que permita “supervisar” de esta manera a un adulto mayor residente de una casa inteligente. Como ya se mencionó anteriormente en este capítulo, las soluciones comerciales requieren de infraestructura adicional a la que se pueda encontrar en una casa común (cableado de datos estructurado) por lo que se ha detectado como un área de oportunidad de este proyecto el proponer una 11


solución que permita aprovechar la infraestructura pre-existente en la casa para mantener interconectado cada una de las habitaciones de la misma.

1.3. Objetivo general

Diseñar una arquitectura que permita a los dispositivos inalámbricos instalados en cada una de las habitaciones de la casa compartir de manera sencilla la información ambiental de cada una de las habitaciones a un servidor central, con la capacidad de tomar acciones que permitan incidir en el mismo ambiente de la casa, así como contar un mecanismo que permita comunicar al mundo exterior de los eventos que están sucediendo en el interior de la casa haciendo uso de la infraestructura pre-existente en la casa.

1.3.1.

Objetivos particulares

1.

Diseñar arquitectura del sistema de alarmas.

2.

Hacer uso de las tecnologías Java Sun SPOTS y X10.

3. Definir e implementar protocolo de comunicación entre los sensores y el sistema. 4. Definir e implementar protocolo de comunicación entre dispositivos reactivos y el sistema. 5. Definir un mecanismo homogéneo para el manejo de la información obtenida por los sensores. 6.

Definir mecanismo de notificación de alertas.

7.

Diseñar e implementar interfaz gráfica.

1.4. Justificación

Como ya se ha hecho mención el número de personas de 65 o más años ha ido en aumento mayormente en los países desarrollados, por lo que la demanda de soluciones para casas inteligentes de igual manera ha ido en aumento, sin 12


embargo los costos de las soluciones que existen actualmente en el mercado son muy elevados (dentro del rango $10,000 a $250,000 dólares norteamericanos (How Stuff Works - Discovery Channel, 2008)), debido a esto el presente proyecto representa una solución muy concreta y sobre todo de bajo costo, la cual puede operar para cualquier ambiente doméstico y sobre todo aquellos en donde adultos mayores habiten la casa. El bajo costo de este proyecto radica en que se propone utilizar la infraestructura pre-existente en la casa como lo es el cableado eléctrico la inversión en equipo y sensores que no rebasa los 1,000 dólares norteamericanos. Desde el punto de vista tecnológico, esta solución es escalable a otros escenarios y a utilizar otro tipo de sensores sin la necesidad de realizar cambios muy drásticos a los protocolos de comunicación o a la estructura del sistema. De manera personal espero obtener un mejor entendimiento de los protocolos de comunicación multi-saltos, así como tener un panorama claro de las capacidades y limitaciones de la arquitectura a proponer con la finalidad de utilizarla en otros ambientes de escalas más grandes. También espero poder determinar la viabilidad de la utilización de los dispositivos Java Sun SPOT en proyectos en donde se realicen acciones que permitan salvar vidas humanas, esto probando sus capacidades computacionales así como sus capacidades operacionales y desempeño (velocidad de comunicación, tiempo de vida y consumo de memoria).

1.5. Alcances y Limitaciones

1.5.1.

Alcances

1. Implementación de módulo de obtención de datos de los sensores en los Java Sun SPOT. 2. Diseño e implementación de módulo de comunicación basado a la metodología suscriptor/emisor en los Java Sun SPOT y el servidor. 3. Implementación de módulo de control de dispositivos reactores, mediante la tecnología X10.

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4. Diseño e implementación de interfaz de usuario para el monitoreo de los estados de los sensores y demás dispositivos utilizados. 5. Integración de módulos propuestos en la arquitectura. 6. Diseño y ejecución de pruebas de los módulos de manera individual e integrados.

1.5.2.

Limitaciones

1. Los sensores no se implementaran físicamente, se simulara la obtención de los datos siguiendo los parámetros de cada uno de los sensores. 2. Para efectos prácticos las pruebas se realizaran utilizando una lámpara como alarma y un ventilador como extractor de humo.

El trabajo esta estructurado de la siguiente forma: el capítulo de estudio de casos similares abordara los distintos trabajos que se están realizando en el tema de casas inteligentes desde el enfoque del cuidado de los adultos mayores, el capítulo de propuesta de solución, atiende a la problemática introduciendo en un primer plano el diseño de una arquitectura con los componente mecánicos de interacción y acceso al medio ambiente. Posteriormente se describe a detalle la implementación de los módulos atendidos en este trabajo: captura de información de sensores, comunicación entre sensores, recopilación de información de sensores y controlador de dispositivos reactivos. Finalmente, se presentan las conclusiones y trabajos futuros.

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2. Estudio de casos similares

En este capítulo se presentan algunos trabajos que se han realizado en el área de casas inteligentes y sobre todo en el aspecto de las soluciones tecnológicas propuestas para el grupo de la tercera edad.

Tal como se ha mencionado en el capítulo anterior, en los últimos años se han venido realizando diversos esfuerzos con la finalidad de desarrollar soluciones tecnológicas que permitan a los residentes de una casa inteligente a sentir que tiene control sobre todos los aspectos de su vida en términos de habitar y controlar una casa.

Es importante recalcar que la implementación de una casa inteligente requiere un equipo multidisciplinario, en donde se ha visto como actividad primordial hacer uso de sensores pasivos los cuales son instalados tanto en el techo, estufa, refrigerador, camas e incluso en la regadera, y sensores personales los cuales se encargan de recabar información con respecto a los signos vitales, movilidad y localización del habitante de la casa. El monitoreo y análisis de la información obtenido por los sensores antes mencionados permite la detección de áreas de oportunidad, generación de bases de conocimientos partiendo de la detección de patrones de comportamiento de los habitantes e identifica aspectos sociales, culturales e ideológicos que pudieran afectar la implementación de las soluciones a desarrollar.

Los proyectos desarrollados, tienen un aspecto más adaptativo, esto quiere decir que las instituciones académicas han apostado por modelos que permiten la generación de bases de conocimiento, las cuales dejan que las implementaciones puedan adaptarse a las condiciones propias de cada habitante de la casa, y en el caso de los proyectos desarrollados por sector comercial el enfoque está dirigido a la centralización de la información y/o control de los dispositivos de una casa inteligente ya sea por un servidor o consola central o por smartphones.

A continuación se presentan una breve descripción de 3 proyectos desarrollados por en el área académica que abarcan desde la detección de 15


riesgos mediante el uso de sensores y generación de base conocimiento hasta la implementación de redes de sensores y dispositivos reactivos que permiten anticipar las actividades de los habitantes de una casa.

2.1. Detector de caídas ·

Autores: V. Bianchi et al

·

Desarrollado en: Italia

·

Tecnologías utilizadas: 1. Acelerómetros 2. Radiolocalizadores 3. Servidor Central

·

Descripción: Mediante la colocación de un acelerómetro y un radiolocalizador al cinturón del habitante de la casa, se envía la información del acelerómetro a un servidor central el cual genera una base de datos, la cual mediante métodos de minería de datos permite determinar si la persona ha sufrido una caída, de ser así se emite una señal luminosa que permita guiar a otra persona hasta el punto en donde se encuentra la persona que ha sufrido la caída. Mediante el proceso de minera de datos se pueden eliminar falsos positivos.

2.2. Monitoreo del bienestar de un habitante ·

Autores: Majeed y Brown

·

Desarrollado en: Estados Unidos

·

Tecnologías utilizadas: 1. Sensores 2. Servidor Central 3. Base de conocimientos

·

Descripción: Este proyecto propone la utilización de sensores pasivos (movimiento, impacto, apertura de puerta, etc.) en puertas, baños, 16


cocina, camas, comedor y sala (ver Ilustración 3), dichos sensores se interconectan a un servidor central el cual captura la información y genera una base de conocimientos, la cual mediante reglas Fuzzy (reglas difusas o lógicas), determina el bienestar del o de los habitantes de la casa.

Ilustración 3 Distribucón de sensores

2.3. Evolución inteligentes

a

través

de

ambientes

·

Autores: Koskela y Väänänen-Vainio-Mattila

·

Desarrollado en: Estados Unidos

·

Tecnologías utilizadas:

de

casas

1. Smartphone 2. Red Inalámbrica 3. Electrodomésticos inteligentes Descripción: Este proyecto propone desarrollar una aplicación la cual pueda servir de interfaz universal para todos los electrodomésticos inteligentes, los cuales se conectan mediante una red inalámbrica, dicha aplicación podrá controlar y programar todos los electrodomésticos interconectados. La aplicación tiene una versión desktop y una versión móviles. 17


Uso de sensores Arquitecturas Majeed Bianchi Koskela

Monitoreo de Generación de Uso de Detección de Uso de infraestructura actividades base de actuores riesgos pre-existente especificas conocimiento

Tabla 2 Comparativa de arquitecturas

En la Tabla 2 se puede observar los principales puntos de comparación entre las tres arquitecturas antes mencionadas, una de las ventajas que presenta la propuesta de Majeed es la generación de base de conocimiento que sirva como apoyo en la toma de decisiones de los cuidadores (familiar o enfermera) para saber el comportamiento del adulto mayor, sin embargo requiere de una infraestructura especial para su funcionamiento (red de sensores y cableado estructurado), al no contar con dispositivos reactivo no contempla el realizar acciones que eviten el posible riesgo, en el caso del proyecto de Bianchi se propone el uso de sensores de movimiento, mediante los cuales se puede determinar cuándo un adulto mayor ha sufrido una caída y se pueda indicar mediante señales luminosas la ubicación del adulto mayor, no requiere de infraestructura especial, ya que contempla utilizar la red inalámbrica preexistente en la casa, sin embargo no propone la generación de una base de conocimiento y no monitorea las actividades del individuo sino sus movimientos, por último la propuesta de Koskela simplemente propone la interconexión de dispositivos inteligentes mediante la red inalámbrica pre-existente a fin de facilitar el uso de los mismos al adulto mayor mediante smartphones.

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3. Propuesta de solución

En este capítulo se aborda la descripción de la arquitectura propuesta, haciendo énfasis en los aspectos fundamentales que deberá de contemplar a fin de resolver la problemática abordada en la introducción, posteriormente se presentara una descripción detallada de cada una de los módulos implementados. La propuesta de solución plantea el crear un sistema de alarma para casas inteligentes en el contexto de adultos mayores, para establecer los componentes necesarios se plantea un escenario que identifica las funcionalidades esperadas en el sistema y los módulos considerados. Así, se espera contar con un sistema informático capaz de percibir identificar un grado de riesgo a partir de las condiciones ambientales de cada una de las habitaciones de la casa, esto por ejemplo para determinar la posibilidad de que un incendio y/o una fuga de gas sea alta, así la alarma notificará mediante un mensaje de correo a los familiares y/o personas encargadas del cuidado del adulto mayor o incluso los mismos servicios de emergencia (bomberos, policía, paramédicos, etc.). Dicho mensaje contiene una descripción del posible riesgo que sea ha detectado, así como la dirección de la casa y la posibilidad de que personas se encuentren dentro de la misma. Con la finalidad de darle certeza al mensaje y evitar que aquellas personas que lo reciban lo puedan considerar como SPAM o broma, se adjunta al mismo una serie de fotografías tomadas al momento de la habitación en donde se ha detectado el riesgo, aunado a la generación del mensaje de notificación se planteó la utilización de dispositivos reactivos para coadyuvar a mitigar el riesgo (extractores de humo y alarmas). A continuación se describirá de manera general cada uno de los módulos propuestos.

3.1. Arquitectura Propuesta

Se han definido 5 módulos (captura de información de sensores, comunicación entre sensores, recopilación de información de sensores, toma de decisión y controlador de dispositivos reactivos), los cuales fueron diseñados para obtener las condiciones del ambiente, analizar y reaccionar en base a la información recolectada. El objetivo primordial de este sistema es notificar la ocurrencia de un posible riesgo que pueda poner en riesgo la vida de 19


los habitantes de una casa en especial las personas perteneciente al grupo de la tercera edad, el sistema también tiene la habilidad de afectar el ambiente, mediante el uso de dispositivos reactivos tales como alarmas, ventiladores, extractores de humo; con el fin de mitigar el riesgo, hasta el momento en que los servicios de emergencia, los asistentes o familiares de las personas lleguen (ver Ilustración 4).

Ilustración 4 Arquitectura propuesta

3.1.1. Módulo sensores

de

captura

de

información

de

Este módulo ha sido diseñado para utilizar sensores de temperatura y humedad relativa (ver Ilustración 7), sensores de movimiento humano (ver Ilustración 5), sensores de gas LPG y sensores de control de calidad del aire (ver Ilustración 6); para obtener la información del ambiente, El modulo será capaz de conectarse físicamente con los sensores y obtener la información generada por estos. Es importante mencionar que dentro de los alcances de este proyecto no se consideró la implementación física de los sensores, la información que este módulo generara es simulada, basada en las hojas de especificaciones de cada uno de los sensores (Gas Sensor) (HOPE RF) (MQ135 Semiconduct or Sensor for Air Quality Control)

20


Ilustración 5 Sensor de movimiento humano

3.1.2.

Ilustración 6 Sensor de gas y smog

Ilustración 7 Sensor de temperatura

Módulo de comunicación entre sensores

Este módulo esta implementado en los Free-Range Sun SPOT y en el BaseStation Sun SPOT, el propósito de este módulo es establecer una comunicación bidireccional entre el Base-Station Sun SPOT (el cual se encuentra conectado vía cable USB con el servidor) y los Free-Range Sun SPOT, en la Ilustración 8 se puede observar la topología de la red que se genera con los Sun SPOT.

Ilustración 8 Topología de los Java Sun SPOTS (Sun Labs, 2009)

En la Ilustración 9 se puede observar cómo se estable la conexión bidireccional entre el Base-Station y el Free-Range Sun SPOT: 1. Una vez que el módulo de comunicación se inicia en el Base-Station, este se queda a la espera de que algún Free-Range dispositivo, se encuentre en rango de transmisión para recibir el listado de servicios disponible ya sea en el FreeRange que se encuentra en rango de transmisión o de algún otro dispositivo que se encuentre conectado en la red. 21


2. Una vez recibido el listado de servicios disponibles, el Base-Station determina si está interesado en recibir datos de uno o varios servicios disponibles en el listado recibido. 3. En caso de que el Base-Station desea recibir datos de algún servicio, este genera una requisición del servicio y lo envía al dispositivo Free-Range que ofrece dicho servicio. 4. Una vez que la requisición es enviada, el Base-Station se queda a la espera de la respuesta del dispositivo Free-Range que ofrece el servicio, una vez que la respuesta es recibida por parte del Free-Range, el Base-Station deja de buscar por el proveedor del servicio solicitado y queda a la espera de recibir los datos del servicio solicitado. 5. Una vez que el dispositivo Free-Range envió la respuesta a la requisición del servicio, este inicia la transmisión de los datos del mismo, hacia la dirección MAC del dispositivo Base-Station, la información se envía al momento que esta se va generando por el módulo de captura de información de sensores.

Ilustración 9 Conexión bidireccional entre Java Sun SPOTS

3.1.3. Módulo de recopilación de información de sensores

Este módulo actúa como una interfaz genérica para la información proveniente de los sensores instalados en los Free-Range Sun SPOT, este módulo se 22


encuentra en el módulo de comunicación entre sensores y el módulo de toma de decisiones, y su propósito general es tener a la mano la última lectura obtenida de los sensores, de esta manera el módulo de toma de decisiones, no se tiene que preocupar de conectarse directamente a los sensores, sino solo obtener la última lectura que se tiene.

3.1.4.

Módulo de toma de decisiones

Se implementó la ontología ELDeR, desarrollado con el lenguaje OWL, el cual recibe las lecturas de los sensores del modelo de recopilación de información de sensores, el objetivo de este módulo es el de hacer un mapeo entre los datos recibidos con el conjunto de reglas definidas con la ontología, cada regla tiene asignado un conjunto de acciones que se deben de ejecutar en caso de que los datos obtenidos de los sensores encajen a uno o más reglas, en caso de que más de una regla sea activada, todas las actividades relacionadas a dichas reglas tengan asociadas, en la Tabla 3 se pueden observar el conjunto de reglas definidas así como las acciones relacionadas a dichas reglas. RISKS Rules

Risks

Notification

If exists gas and motion

Ignition

Notification to the caregiver and turn on the fan

If exists smoke and the Burning

Notification to the caregiver and

temperature

turn on the lamp and fan

pass

the

100° C and the increment of the temperature pass of the 80% If

exists

smoke

and Intoxication

Notification to the caregiver ant

motion

turn on the lamp and fan

If exists smoke of cigar

Display a graphic notification of:

and motion

“DO NOT SMOKE INSIDE THE HOUSE” Tabla 3 Reglas de la ontología

23


3.1.5. Módulo reactivos

de

controlador

de

dispositivos

Este módulo provee una manera sencilla de usar los dispositivos reactivos (en este caso una lámpara y ventilador), este módulo es utilizado por el módulo de toma de decisiones cuando una o más reglas de la ontología han sido activadas. De manera alternar este módulo también se conectara a cámaras de video vigilancia para obtener imágenes del cuarto en donde se detecta la presencia de un posible riesgo, el mismo que se agregara al mensaje de correo electrónico que este mismo módulo generara para notificar de la detección del posible riesgo.

3.2. Implementación

En esta sección se describirán a detalle la implementación de los módulos de la arquitectura propuesta. Como ya se ha comentado en los alcances y limitaciones de este proyecto, el módulo de captura de información de sensores no se implementó al 100% ya que la implementación física de los sensores no se realizó, la información proveniente de los sensores utilizada para este proyecto se simulo, en el caso del módulo de toma de decisión no fue implementada en este proyecto, sino por la Ing. Diana Saldaña de la Universidad Autónoma de Baja California.

3.2.1. Módulo sensores

de

captura

de

información

de

Este módulo fue implementado en un Free-Range Sun SPOT (Sun Labs, 2009), tal como se mencionó anteriormente se utilizaron 4 diferentes tipos de sensores, por tal motivo se definieron submodulos que se utilizaron para leer la información de cada uno de los sensores (en este caso simular la lectura); el estado inicial de cada uno de los submodulos es "No Riesgo Detectado", esto significa que la información simulada no representa ningún riesgo para los habitantes. En el momento en que cualquiera de los botones (switches) en el Free-Range Sun SPOT sea presionado (ver Ilustración 10); el submodulo 24


simula de manera aleatoria la lectura de información proveniente del sensores, a fin de identificar cual es el estado de cada uno de los submodulos; se utilizan los 8 LEDs instalados en el Free-Range Sun SPOT. A continuación se explicaran los diferentes estados de cada uno de los submodulos

Ilustración 10 Interfaces físicas del Free-Range Sun SPOT

3.2.1.1.

Estado del sensor de temperatura.

Cuando el submodulo del sensor de temperatura inicia, el quinto LED de izquierda a derecha se prende de color verde, una vez que el botón número dos del Free-Range Sun SPOT es presionado, el submodulo empieza a generar información que representa que la temperatura en el ambiente está en aumento y el color del quinto LED de izquierda a derecha cambia de verde a rojo, si el segundo botón del Free-Range Sun SPOT se vuelve a presionar, el submodulo genera información que representa que la temperatura en el ambiente empieza a descender más allá de la temperatura normal y el color del quinto LED cambia a color azul. Para regresar al estado inicial se debe de presionar nuevamente el segundo botón del Free-Range Sun SPOT, en la Ilustración 11 pueden observar los tres estados del submodulo del sensor de temperatura.

25


Ilustración 11 Estados del sensor de temperatura

3.2.1.2.

Estados del sensor de movimiento humano.

Cuando el submodulo del sensor de movimiento humano inicia, el quito LED de izquierda a derecha se prende de color verde, una vez que el botón derecho del Free-Range Sun SPOT es presionado, el submodulo empieza a generar información que representa que el sensor ha detectado movimiento humano, y el color del quinto LED de izquierda a derecha cambia a rojo, para regresar al estado inicial se debe de presionar nuevamente el segundo botón del FreeRange Sun SPOT, en la Ilustración 12 se puede observar los dos estados del submodulo del sensor de movimiento humano.

Ilustración 12 Estados del sensor de movimiento humano

26


3.2.1.3.

Estados del sensor de gas.

Cuando el submodulo del sensor de gas inicia, el sexto, séptimo y octavo LED de izquierda a derecha se prenden de color verde, cuando el primer botón del Free-Range Sun SPOT es presionado, el modulo decide si se mantienen en el estado inicial o cambiar de manera aleatoria al estado de Gas LP detectado, Gas Natural detectado o smog detectado, dependiendo de qué estado se encuentre el submodulo, dependerá cual LED cambiara de color a rojo, en la Ilustración 13 se puede observar los cuatro posibles estados del sensor de Gas.

Ilustración 13 Estados del sensor gas

3.2.1.4.

Estado del sensor de smog.

Cuando el submodulo del sensor de smog inicia, el sexto y séptimo LED de izquierda a derecha se prende de color verde, cuando el segundo botón del Free-Range Sun SPOT es presionado, el submodulo decide si se mantiene en el estado inicial o cambia de manera aleatoria al estado de CO2 detectado, o humo de cigarro detectado, de acuerdo al estado en que se encuentre el submodulo, dependerá cual LED cambiara de color a rojo, en la Ilustración 14 se puede observar los tres posibles estado del sensor de smog.

27


Ilustración 14 Estados del sensor de smog

3.2.2.

Módulo de comunicación entre sensores.

Este módulo fue implementado tanto en el Base-Station y el Free-Range Java Sun SPOT, a fin de contar con un modelo adecuado que pueda manejar la comunicación entre el dispositivo Base-Station y el Free-Range, se diseñó un modelo de comunicación basado el en modelo OSI, solo que en este caso solo se usaron tres de las siete capas del modelo original (capa de aplicación, de presentación y de Red) tal como se puede observar en la Ilustración 15.

Ilustración 15 Modelo de capaz propuesto

28


3.2.2.1.

Modelo de comunicación

3.2.2.1.1. Capa de red.

La capa de red diseñada para esta aplicación define dos módulos de conexión, uno de datagramas de entrada y otros de datagramas de salida, los datagramas son enviados a través de la antena de 2.4 GHz usando el protocolo 802.15.4 de la IEEE (Sun Labs, 2009). En la Ilustración 16 se puede observar de manera gráfica el diseño de la capa de red, en donde mediante la interfaz de envío se reciben los paquetes de la capa de presentación, los cuales son almacenados a su vez en un datagrama, el cual es colocado en una cola de salida, esta cola de salida es del tipo FIFO (Primeras Entradas - Primeras Salidas, por sus siglas en Ingles), a su vez la cola de salida recibe datagramas de la cola de entrada, ya sea porque el datagrama fue definido para que se transmitiera multicast, broadcast, o porque el datagrama proviene de un dispositivo que pretende comunicarse con un tercer dispositivo que esta fuera de su rango de transmisión, por lo que dicho datagrama es enviado usando multi-saltos.

Ilustración 16 Capa de red

29


Para evitar alta latencia en la red se ha implementado un administrador de prioridades, el cual se encarga de ordenar los datagramas de la cola de entrada en base a la prioridad de cada uno datagramas (ver Ecuación 1) y también se encarga de descartar aquellos datagramas que excedan el tiempo de vida determinado.

=

Ecuación 1 Cálculo de prioridad

En la Ilustración 17 se puede observar cómo está compuesto el datagrama:

Ilustración 17 Estructura básica del datagrama

1. En el campo TIME_STAMP, se almacena el momento en el que el datagrama fue creado. 2. El campo OWNER_MAC_ADDRESS, indica la dirección MAC del dispositivo que género el datagrama. 3. El campo LIFE_TIME indica el tiempo de vida del datagrama (los posible valores son de 1 a 5 segundo, o se puede definir ALWAYS_ALIVE) 4. En el campo PRIORITY, se almacena la prioridad definida para el datagrama (el rango de valores va de 1 a 10). 5. El campo TRANSMITION_TYPE indica la modalidad en que el datagrama es enviado (UNICAST, MULTICAST o BROADCAST). 6. En el campo RETRANSMITION_HOPS, se indica el número de saltos que dará el datagrama antes de ser descartado (el rango de valores es de 0 a 15). 30


7. El campo RECIPIENT_MAC_ADDRESS, almacena la dirección MAC del dispositivo destino del datagrama, en caso de que el campo TRANSMITION_TYPE sea definida como BROADCAST, este campo estará vació. 8. El campo PACKAGE contendrá el paquete recibido de la capa de presentación.

3.2.2.1.2. Capa de presentación.

La capa de presentación fue diseñada para proveer un mecanismo el cual identificara y manejara los paquetes que fuesen recibidos de la capa de Red y para generar paquetes que se pretendan enviar a otros dispositivos (ver Ilustración 18). Cada vez que la capa de aplicación pretenda enviar información a otro dispositivo Sun SPOT (sin importar si es Base-Station o Free-Range), y usara la capa de presentación para generar el paquete apropiado dependiendo del tipo de información que se desea enviar (HSRP, NAP, SSP, SSCP, SSRAP, SSRP, SSRRP y HSRL).

Ilustración 18 Capa de presentación

31


Para el caso de los paquetes recibidos, antes de que la información llegue a la capa de aplicación, el paquete debe de ser identificado y su contenido debe de ser validado a fin de evitar corrupción de datos durante la transmisión. La capa de presentación tiene definido 8 tipos de paquetes que cumplen con funcionalidades muy específicas que permiten la transmisión de información, así como la identificación de dispositivos Sun SPOTS disponibles en la red. El paquete está compuesto por un encabezado o header y un cuerpo o body, en la Ilustración 19 se puede observar la información contenida en el encabezado del paquete la cual ayuda a identificar el tipo de paquete que se está transmitiendo.

Ilustración 19 Estructura del encabezado del paquete

1. El campo PACKAGE_TYPE, almacena el tipo del paquete (los posibles valores: HSRP, NAP, SSP, SSCP, SSRAP, SSRP, SSRRP y HSRL). 2. En el campo PACKEGE_OWNERE, indica la dirección MAC del dispositivo generador del paquete. 3. El campo PACKAGE_DATA, contiene la información que se desea transmitir.

El paquete NAP (Neighbor Acknowledge Package), es utilizado por la capa de presentación para notificar a otros dispositivos en la red, la existencia del dispositivo generador del paquete, el cuerpo del paquete NAP contiene dos campos adicionales a los contenidos en el encabezado del mismo (ver Ilustración 20):

1. HOST_ADDRESS: La dirección MAC del dispositivo generador del paquete.

32


2. HOST_TYPE: Indica el tipo del dispositivo (BASE_STATION, TEMPERATURE_DETECTOR, MOTION_DETECTOR, GAS_LEAK_DETECTOR y SMOG_DETECTOR).

Ilustración 20 Estructura del cuerpo del paquete NAP

El paquete HSRP (Host Services Request Package), es utilizado por el dispositivo Base-Station para pedir la lista de servicios de los dispositivos FreeRange que conoce. El cuerpo del paquete HSRP contiene tres campos adicionales a los contenidos en el encabezado del mismo (ver Ilustración 21):

1. COSTUMER: La dirección MAC del dispositivo Base-Station que genera el paquete HSRP. 2. PROVIDER: La dirección MAC del dispositivo Free-Range destinatario del paquete. 3. REQUEST_TIMESTAMP: La hora de generación del paquete.

Ilustración 21 Estructura del cuerpo del paquete HSRP

El paquete HSLP (Host Services List Package), es utilizado para responder el paquete HSRP, el cuerpo de este paquete cuenta con 5 campos adicionales a los campos de la cabecera del mismo paquete (ver Ilustración 22):

33


1. COSTUMER: La dirección MAC del dispositivo Base-Station que genera el paquete HSRP. 2. PROVIDER: La dirección MAC del dispositivo Free-Range que genera el paquete HSLP. 3. RESPONSE_TIMESTAMP: La hora de generación del paquete. 4. SERVICES_COUNT: El número total de servicios que el dispositivo FreeRange provee. 5. SERVICES: Listado de los servicios.

Ilustración 22 Estructura del cuerpo del paquete HSLP

El paquete SSRP (Services Subscription Request Package), es utilizado por el dispositivo Base-Station, para solicitar al dispositivo Free-Range proveedor de un servicio específico, que envié datos del servicio al dispositivo Base-Station, este paquete cuenta con 4 campos adicionales a los que contiene el paquete en su cabecera (ver Ilustración 23):

1. COSTUMER: La dirección MAC del dispositivo Base-Station que genera el paquete SSRP. 2. PROVIDER: La dirección MAC del dispositivo Free-Range destinatario del paquete. 3. REQUEST_TIMESTAMP: La hora de generación del paquete. 4. SERVICES: nombre del servicio.

34


Ilustración 23 Estructura del cuerpo del paquete SSRP

El paquete SSRAP (Services Subscription Request Accepted Package), es utilizado por el dispositivo Free-Range para notificar al dispositivo Base-Station generador del paquete SSRP, que la suscripción al servicio ha sido aceptada, este paquete cuenta con 4 campos adicionales a los que contiene el paquete en su cabecera (ver Ilustración 24):

1. COSTUMER: La dirección MAC del dispositivo Base-Station que genera el paquete SSRP. 2. PROVIDER: La dirección MAC del dispositivo Free-Range que genera el paquete SSRAP. 3. REQUEST_TIMESTAMP: La hora de generación del paquete. 4. SERVICES: nombre del servicio.

Ilustración 24 Estructura del cuerpo del paquete SSRAP

El paquete SSRRP (Services Subscription Request Rejection Package), es utilizado por el dispositivo Free-Range para notificar al dispositivo Base-Station generador del paquete SSRP, que la suscripción al servicio no ha sido aceptada, este paquete cuenta con 4 campos adicionales a los que contiene el paquete en su cabecera (ver Ilustración 25):

35


1. COSTUMER: La dirección MAC del dispositivo Base-Station que genera el paquete SSRP. 2. PROVIDER: La dirección MAC del dispositivo Free-Range que genera el paquete SSRAP. 3. REQUEST_TIMESTAMP: La hora de generación del paquete. 4. SERVICES: nombre del servicio.

Ilustración 25 Estructura del cuerpo del paquete SSRRP

El paquete SPP (Services Publication Package), es utilizado por el dispositivo Free-Range, para transmitir la información del servicio al que el dispositivo Base-Station se ha suscrito, este paquete cuenta con 4 campos adicionales a los que contiene el paquete en su cabecera (ver Ilustración 26):

1. COSTUMER: La dirección MAC del dispositivo Base-Station suscrito al servicio. 2. PROVIDER: La dirección MAC del dispositivo Free-Range que genera el paquete SSP. 3. REQUEST_TIMESTAMP: La hora de generación del paquete. 4. SERVICES: datos del servicio.

Ilustración 26 Estructura del cuerpo del paquete SSP

36


3.2.2.1.3. Capa de Aplicación.

La capa de aplicación es donde radica el núcleo del módulo de comunicación ya que aquí se implementó el agente de servicios o services broker, el cual cuenta con dos perfiles, dependiendo desde que contexto se esté ejecutando, cuando se ejecuta desde el Base-Station Sun SPOT, el services broker, es el encargado de solicitar la lista de servicios a cada uno de los dispositivos FreeRange Sun SPOT, va identificando en la red, de igual manera el services broker en este contexto es el encargado de solicitar la suscripción a cada uno de los servicios que requiera. Una vez que el services broker en el contexto de Base-Station ha establecido la conexión con los proveedores de los servicios, este módulo es el encargado de identificar las actualizaciones de los servicios y colocarlo en la cola de llegada la cual a su vez hará llegar la información recibida a al módulo de recopilación de información de sensores. Cuando se ejecuta el services broker en el contexto de Free-Range, este se encarga de enviar la información obtenida por el módulo de Captura de información de sensores, al dispositivo o dispositivos con los que se cuente una suscripción para los servicios provistos (ver Ilustración 27).

Ilustración 27 Capa de aplicación

37


En esta capa se maneja el tipo de datos servicios, el cual al igual que los paquetes cuenta con un encabezado o Header y por un cuerpo o Body, en la cabeza del servicio se cuentan con cuatro campos (ver Ilustración 28):

Ilustración 28 Estructura básica del encabezado del servicio

1. SERVICES_TYPE: Este campo permite identificar el tipo de información que maneja (gas, movimiento, smog y temperatura). 2. TIMESTAMP: En este campo se almacena la hora exacta en que se generó el servicio. 3. READING_STAMPTIME: Este campo indica la hora en que el la información del servicio fue consultado por el destinatario, en caso de este campo se encuentre vació significa que la información del servicio no ha sido leída. 4. PROVIDER: Es la dirección MAC del dispositivo que género la información.

El servicio de detección de gas cuenta con tres campos adicionales a los incluidos en la cabecera (ver Ilustración 29):

1. LPG: Este campo puede tener dos valores 0 o 1, si es 1 indica que se ha detectado la presencia de gas LP en el ambiente, de lo contrario es 0. 2. NATURAL: Si este campo esta inicializado con 1 significa que se ha detectado la presencia de gas NATURAL en el ambiente, de lo contrario el valor será 0. 3. TOWN: Este campo puede tener do valores 0 o 1, si es 1 indica que se ha detectado la presencia de smog en el ambiente, de lo contrario es 0.

38


Ilustración 29 Estructura del cuerpo del servicio de detección de gas

El servicio de detección de humo cuenta con 6 campos adicionales a los contenidos en el encabezado, que al igual que el servicio de detección de gas, todos son valores enteros ya sea 0 o 1 (ver Ilustración 30):

1. AMMONIA: Este campo indica si existe presencia de amoniaco en el ambiente. 2. NITROGEN_OXIDE: Este campo indica si existe presencia de óxido de nitrógeno en el ambiente. 3. CABON_DIOSIDE: Este campo indica si existe presencia de dióxido de carbono en el ambiente. 4. SMOKE: Este campo indica si existe presencia de humo de cigarro. 5. BENZENE: Este campo indica si existe presencia de benceno en el ambiente. 6. ALCOHOL: Este campo indica si existe presencia de alcohol en el ambiente.

Ilustración 30 Estructura del cuerpo del servicio de detección de smog

El servicio de detección de temperatura cuenta con 4 campos adicionales a los contenidos en el encabezado (ver Ilustración 31):

1. CURRENT: Es un campo de tipo doble el cual indica la temperatura ambiente en escala Fahrenheit. 39


2. AVERAGE: Es un campo de tipo doble el cual indica la temperatura ambiente promedio en escala Fahrenheit. 3. CHANGE RATE: Es un campo de tipo doble el cual indica la diferencia entre la temperatura actual y la anterior registrada. 4. LAST: Es un campo de tipo doble el cual indica la temperatura ambiente anterior a la actual en escala Fahrenheit.

Ilustración 31 Estructura del cuerpo del servicio de detección de temperatura

3.2.3. Módulo de recopilación de información de sensores

Este módulo fue implementado en el servidor, se conecta con el Base-Station Java Sun SPOT para recopilar la información preveniente de los Free-Range Java Sun SPOT, cada vez que se recibe una actualización en los datos provenientes de los Sensores (vía los Free-Range), actualiza la información que se tenga en memoria.

3.2.4.

Módulo de toma de decisiones

Este módulo fue desarrollado por la Ing. Diana Saldaña de la Universidad Autónoma de Baja California.

3.2.5. Módulo reactivos

de

controlador

de

dispositivos

40


A fin de poder interactuar con los dispositivos reactivos se hace uso del protocolo X10, el cual envía señales digitales mediante el cableado eléctrico de la casa, estas señales son enviadas mediante un dispositivo conectado a la computadora en el puerto serial, el cual a su vez envía una señal inalámbrica a un receptor conectado al cableado eléctrico, en la Ilustración 32 se puede observar cómo se realiza la conexión entre la computara y el dispositivo, cada uno de los dispositivos está conectado al cableado eléctrico mediante un módulo el cual cuenta con un código de identificación el cual permite identificar el receptor de la señal.

Ilustración 32 X10 – Firecracker

De esta manera el Modulo de Control de Dispositivos reactivos, genera una señal codificada en la cual indica si se requiere prender o apagar algún módulo X10 definido por el código X.

Además de la tecnología X10/Firecracker (X10), se hace uso de la librería javamail (Oracle), a fin de generar un mensaje de correo electrónico el cual contenga la descripción del riesgo detectado, así como imágenes tomadas mediante cámaras axis (ver Ilustración 33).

41


Ilustraci贸n 33 C谩mara AXIS

42


4. Resultados

En este capítulo se abordaron los resultados obtenidos en este proyecto, comentando las interfaces físicas y de usuario utilizados.

El presente proyecto arrojo como resultados el diseño e implementación de una arquitectura de que permite la interconexión de dispositivos inalámbricos basándose en los servicios que cada uno de los dispositivos provee, tomando en cuenta la prioridad de cada uno de los mensajes ya sea de transporte de información de datos, de los servicios o los mensajes de control de la propia red establecida por la arquitectura, la implementación de esta se realizó en un prototipo de sistema de alarma para casas inteligentes, el cual fue como ya se ha mencionado probado de manera practica en las instalaciones del Laboratorio Crescent del Departamento de Ciencias Computacionales de la Universidad Cristiana de Texas, las pruebas realizadas al prototipo consistieron en la puesta en marcha de 3 dispositivos Free-Range Java Sun SPOT lo cuales simulaban la funcionalidad de los diferentes tipos de sensores considerados en este proyecto (ver Ilustración 35): ·

Dispositivo 1: Sensor de humo

·

Dispositivo 2: Sensor de gas y temperatura

·

Dispositivo 3: Sensor de movimiento.

Los cuales a su vez, se encontraban conectados a un servidor central mediante un dispositivo Base-Station. El principal caso de prueba fue el conectar todos los dispositivos al mismo tiempo y activar los eventos en donde cada uno de los dispositivos Free-Range simulen las lecturas de cada uno de los sensores que simulen la presencia de las condiciones propias de alguno de los riesgos considerados por este proyecto (incendio y fuga de gas), durante la implementación y las pruebas se buscó que el tiempo entre el inicio de la simulación en los dispositivos Free-Range y el momento en que el servidor tomaba una acción mediante los dispositivos reactivos fuera menor de los 30 segundos. Gracias a esto el autor de este proyecto concluye que es posible utilizar los Java Sun SPOT en aplicaciones de casas inteligentes, esto dado a su capacidad computacional y sus capacidades de generar redes computaciones sin infraestructura. De igual manera es importante recalcar la 43


importancia de haber probado un modelo de comunicación basado en servicios, el cual permite a los dispositivos de inalámbricos (Java Sun SPOT), el intercambio de información específica de manera fácil y priorizada, contando con mecanismos de control de flujo y de enrutamiento de datos, dicho modelo de comunicación es escalable a otros servicios (tipos de datos), el cual solo requiere la definición de los esquemas de los paquetes que requerirá dado al tipo de información que se requiera transmitir.

4.1. Interfaces físicas y de usuario

La implementación se realizó en 3 dispositivos Free-Range Sun SPOT (ver Ilustración 35) y un Base-Station Sun SPOT conectado vía USB al servidor, la conexión con los dispositivos reactivos se realizó mediante un dispositivo Firecracker conectado mediante adaptador Seria/USB tal como se muestra en la Ilustración 34

Ilustración 34 Firecracker conectado a adaptador Serial-USB

Ilustración 35 Sun SPOTs Simulador Humo (En Frente), Gas, Temperatura (En Medio) y Movimiento (Atras)

En la Ilustración 36 se puede observar la pantalla principal de la interfaz del usuario, la cual se implementó en el servidor, en la parte inferior se pueden observar 3 recuadros de color negro, en dichos recuadros se puede observar la actividad del sistema, en el primer recuadro de izquierda a derecha (Sensor Log), se despliega todos los eventos relacionados a los sensores (cuando se descubre un sensor, cuando se establece una conexión con el sensor, etc.), en 44


el recuadro de en medio (Ontology Log) se despliega los eventos de la ontología (módulo de decisiones), ya sea que se detectó un posible riesgo o no, finalmente en el tercer recuadro (Actuator Log), se puede observar todos los eventos relacionados con los dispositivos reactivos, ya sea si se activó el extractor de humo (ventilador) o si se activó la alarma (lámpara).

Ilustración 36 Pantalla Principal

La interfaz cuenta con una ventana de configuración de los módulos del sistema (Ilustración 37), en dicha ventana se puede configurar los puerto de comunicación con el puerto serial mediante el cual el sistema está conectado al firecracker, también se puede configurar la información relacionada a la cuenta de correo electrónico utilizada para enviar las notificaciones, así como las direcciones de correos electrónicos a las cuales se les enviara las notificaciones, de igual manera se cuenta con la funcionalidad para configurar la conexión a las cámaras de vigilancia y a los dispositivos reactivos mediante el protocolo X10.

45


Ilustración 37 Ventana de configuración

En la Ilustración 38 e Ilustración 39 se puede observar la notificación generada por el sistema una vez que este ha detectado una alta posibilidad de existencia de un riesgo, en dicha notificación se describen los riesgo detectado, la fecha y la hora en que se generó la notificación, la dirección de la casa, se especifica si existe la posibilidad de que se encuentre una persona en la habitación en donde se detectó el riesgo, y se anexan las imágenes obtenidas por medio de las cámaras de vigilancia.

Ilustración 38 Correo electrónico generado GUI de visualización

46


Ilustraci贸n 39 Im谩genes agregas al correo electr贸nico GUI de visualizaci贸n

47


5. Conclusiones

En este capítulo se abordaron los resultados y las conclusiones obtenidos en este proyecto, haciendo énfasis en los aportes y finalmente haciendo mención de los trabajos futuros.

De manera general se concluye que tanto la arquitectura propuesta como el prototipo desarrollado cumplen con el objetivo propuesto que es el monitorear y reaccionar ante posibles riesgos las habitaciones en donde habiten adultos mayores.

Objetivo propuesto Interconexión entre dispositivos

Resultado · ·

Conexión con un servidor central

·

Capacidad de toma de decisiones

· ·

Incidencia en el medio ambiente Notificación al exterior de la casa

· ·

Uso de infraestructura pre-existente

· · ·

Uso de tecnología Java Sun SPOT

·

Diseñar e implementar interfaz gráfica

·

Módulo de comunicación entre sensores Módulo de comunicación entre sensores Módulo de recopilación de información de sensores Módulo de toma de decisiones Módulo de controlador de dispositivos reactivos Módulo de controlador de dispositivos reactivos Módulo de controlador de dispositivos reactivos Protocolo X10 Dispositivos Firecracker Módulo de comunicación entre sensores Módulo de recopilación de información de sensores Interfaz gráfica implementada en el servidor

Tabla 4 Objetivos Propuestos Vs Resultados Obtenidos

48


Como trabajos futuros se detecta la posibilidad, de modificar el módulo de toma de decisiones a fin de proveerlo con un mecanismo de generación de una base de conocimiento, el cual le permita construir un perfil de los habitantes de la casa, lo cual permitiría al sistema hacer una detección de posibles riesgos más precisa y así evitar falsos positivos, otro de los trabajos futuros que se detecta es la posibilidad de controlar múltiples habitaciones con un mismo servidor, en donde cada habitación podrá contar con un conjunto de dispositivos inalámbricos Java Sun SPOTS los cuales se conecten a un servidor central el cual podría identificar la posibilidad de riesgos en cada habitación de manera independiente, así como la implementación de mecanismos de seguridad en la red, con la finalidad de evitar que dispositivos y/o aplicaciones externas puedan manipular la información transmitida.

49


BIBLIOGRAFÍA

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50


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51


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52


Anexos

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Anexo 1 Gas Sensor

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Anexo 2 Sensor de Humedad y Temperatura

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59


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Anexo 3 Sensor de Gas MQ-135

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Anexo 4 Sensor de movimiento humano

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71

Diseño e Implementación de un Sistema de Alarmas para Casas Inteligentes  

Las casas inteligentes representan un campo de estudio muy amplio, el cual abarca desde el aspecto social hasta el técnico. El cual requiere...

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