Redes inalambricas aplicadas en la casa hogar

as we all want to enjoy new technologies that every day spreads throughout the world seeking to improve life in society either local or industrial field; why we present this article very important, especially that is totally inclined towards wireless networks apply automation of houses or known as home automation; as the first point we will study some of the main communication networks used more frequently, the advantages and disadvantages that arise during the implementation of these. On the other hand, we will study how information is transmitted, in other words, as devices for transmitting and receiving information are understood, then we find the types of protocols and topologies of communication as these are the bases with we communicate between hardware, software and users, so it is necessary to understand the language level hardware and deferential star topologies, tree and mesh communication when applying multiple sensors, we will also present an equation which will calculate the power data transmission based on the propagation distance of the tree type topology; finally study the security must have the communication networks using the method setting proxy re-encryption, its main features and functioning, with this we presented networks are completely reliable for the user.

Palabras clave: red de sensores inalámbricos, protocolos, topología, proxy re-cifrad.

Introducción

La electrónica moderna hoy en día está muy acelerada dentro de la domótica, pero no solo como ciencia, sino que ya son implementados dentro de la sociedad, donde ya podemos ver casas automatizadas totalmente, esto quiere decir que el estudio de las nuevas tecnologías, sobre todo en las redes inalámbricas que son el punto clave para los casa-hogar y que están muy de moda están presentes y que la debemos utilizarlos humanamente, es aquí donde debemos de imponer nuevos retos que permitan dar una mayor competitividad en la economía de clase media y baja.[1] Existen muchas redes de comunicación inalámbricas WSN que nos permiten intercomunicarnos entre lo físico y lo humano o viceversa mediante señales analógicas o digitales, pero para esto debemos tener claro todos los medios que forman parte de la comunicación como: redes, sensores, protocolos, topologías, y sobre todo la seguridad. Por lo tanto, en todos estos parámetros hay que poner un mayor énfasis en el estudio, para poder aplicarlos dentro de la practica laboral. Muchos de nosotros sabemos lo nuevo que existe, pero no como utilizarlo o aplicarlo conforme las necesidades, es aquí donde cada uno de nosotros debemos tomar conciencia y estudiar a profundo punto a punto poniendo objetivos que permitan crear nuevas innovaciones que benefician al mundo entero.[2][3]

Redes y Sensores Inalambicas

Redes inamalbricos de conexion

En las tres últimas décadas por lo general a partir del año 90 el mundo entero logro estar plenamente comunicados humana y físicamente, gracias a las nuevas redes que se crearon dentro de las telecomunicaciones.[3]

Conforme la aplicación de estas redes, también vieron que estos eran fiables dentro de la casa hogares; es aquí donde el mundo se ve inclinado a la automatización de casas hogar o industrias (domótica). Existen muchas redes que permiten comunicarnos, pero, los que estudiaremos a continuación son los más comunes, los cuales ya dieron buenos resultados.[4][5]

Las redes que mencionamos a continuación son los más comunes para este tipo de aplicaciones entre los cuales tenemos:[6]

• 1. La comunicación Wi-Fi,

• 2. La comunicación Bluetooth,

• 3. La comunicación GPS,

• 4. La comunicación por infrarojos.

Por lo tanto, dentro de las casas hogares los más utilizados y de mayor confiabilidad son los de comunicación Wi-Fi,[4] Bluetooth y los infrarrojos, estos debido a la fácil adecuación y manejo, ya sea dentro de las áreas públicas y urbanísticas, además estos no requieren de mayor potencia (consumo) para su transmisión y recepción de datos, no obstante, al hablar de la red Wi-Fi que si requiere una potencia poco superior los dos medios anteriores, ya que este es una red de mayor cobertura de comunicación y permite transmitir y recibir paquetes de datos con mayor capacidad de información y con una mayor rapidez de navegación.[7] [6][8]

Los GPS, Sistema de posicionamiento Global traducido del idioma ingles (Global Positioning System), es una red de comunicación que requiere un mayor gasto de dinero en cuanto a la economía debido a que consume mayor cantidad de energía (Potencia), ya que este dispositivo transmite y recibe información mediante vías satelitales; es por esto que no son tan apetecidos dentro de la domótica básica, sino que este medio es más utilizado como para establecer puntos de localización o putos de referencia (coordenadas) por ende son más utilizados dentro de los campos de aviación, marítimo, transportes terrestres e incluso hasta en los celulares inteligentes. [9][4]

Para realizar rastreos de los miembros de la casa hogar que se encuentran fuera de esta, y que una persona este restringido a salir, pude ser este una persona discapacitada o cualquier otra persona con otro tipo de anomalías se puede aplicar la red del GPS, el cual dará las coordenadas exactas de cada persona que se encuentra conectado a la red, esto podrá ser visualizado ya sea en un plasma o alguna pantalla de fácil visualización para el que se encuentre dentro de la casa; pueden existir otros casos especiales en los cuales pueden ser aplicado este tipo de red, por lo que será necesario hacer un estudio para poder utilizar el GPS debido a los altos consumos de energía y la economía. [4]

Protocolos de comunicación (IP)

Los diferentes tipos de comunicaciones que intercambian información necesitan de algunos protocolos para dar entender los diferentes lenguajes entre el usuario y la maquina o viceversa, los IP son los encargados de una u otra manera traducir el lenguaje usuario-maquina o a su ve también máquina-usuario mediante la aplicación de diferentes códigos normalizados para cada tipo de lenguaje, el IP codifica las señales que recibe y lo codifica al lenguaje de máquina.[10][11]

Algunos de los protocolos utilizados dentro de la domótica son los siguientes:

• 1. Protocolo de ZigBee con estandarización IEEE 802.15.4,

• 2. Protocolo MAC o protocolo de enrutamiento,

• 3. Protocolos industriales Modbus

• 4. Protocolos TCP/IP

Estos protocolos son los más acogidos en la domótica, ya que son los más responsables y fiables al momento de transmitir datos desde los canales de transmisión hasta los canales de recepción en velocidades y ciclos de trabajos bajos[12], además son compatibles con los diferentes redes de comunicación ya mencionados.[13] [11]

A continuación, Fig.1 se muestra un esquema donde se indica la manera como y donde se influyen los diferentes protocolos de lenguajes en los sistemas Hardware, por lo general con la aplicación del internet el cual necesita de protocolos TCP/IP [14] y HTTP para ser incrustados dentro de los circuitos integrados. .[13]

Figuara 1. Capas esquematicas en medios arquitectonicos.[13]

El principal protocolo para ser aplicados en los hogares e industrias, para comunicación entre diferemtes tipos de sensores es el ZigBee[15], mismo que trabajan con velocidades y ciclos de trabajo bajos y que se adaptan a la red de sensores inalambricos (WSN), y como una caracteristica principal es que trabaja con potencias bajas de energia por lo que son conocidos como ´´dispositivos de red de area personal inalambrica´´ (WPAN) por sus siglas en ingles.[12]

La ventaja de este es que a modo activado puede transmitir datos directamente sin hacer la sincronización de mecanismos de transmisión[12], además contiene un middlware que es una capa responsable de hacer filtrado de señales, enrutamientos, cortafuegos, entre otras señales que tratan de interferir las señales de los sensores inalámbricos [13]. Ademas proporcionan deferenter tipos de servidores tles como: UPD, TCP/IP, ICMP, DHCP, Ethernet y mas protocolos de comunicación [16][17]

Topologías de comunicación

Si estamos utilizando varias redes de sensores inalámbricos (WSN) en diferentes puntos de una casa o industria y por ende también diferentes tipos de sensores (bluetooth, infrarrojos, Wi-Fi, GPS, entre otros) es muy indispensable de comenzar a utilizar uno de los tres tipos de topologías, estos nos permiten enlazarnos punto a punto (sensor en sensor) para así ir transmitiendo información desde inicio a final, pero también es necesario tener en cuenta que uno de sus nodos debe actuar como nodo maestro o de cabeza [4], esto servirá también como nado de referencia por el cual debemos comenzar el estudio como tal.[17][2]

Las referencia [12][6] se menciona que existen topologías de estrella, árbol y malla que son de mucha importancia para la intercomunicación entre los sensores, donde cada topología se caracteriza por la forma de interacciones [16] entre los nodos o la forma de construir la red de comunicación.

La topología tipo árbol es el mejor que se adecua en las redes de sensores inalámbricos (WSN) aplicados a la casa hogar, como se muestra en la fig. 2 se denominas asi porque tienen lugares geométricos en forma de árbol [18], tos estos nodos están en contacto con un nodo de referencia fija que hace de cabeza o patrón por otro lado la información que fluye a través de ellos debe estar normalizados según un algoritmo necesario para que se decodifique de la mejor manera.[6]

Figura 2. Topología tipo árbol utilizado en (WSN).[6]

En la fig. 2 se observan como cada uno de los sensores están enlazados a cada uno de sus nodos patrones en este caso los hay cinco cabezas. Conforme cada sensor recibe una señal lo envía a maestro auxiliar (referencia) y este lo decodifica y pasa al siguiente auxiliar hasta llegar al nodo cabeza, el cual se encarga de enviar otro tipo de señal y esto lo reflejara en las salidas (actuadores) como electrodomésticos, bombillos, válvulas etc. Todos estos están enlazándose inalámbricamente mediante una antena que contiene cada uno de los sensores.[19]

Profundizando más sobre este tema (WSN) tenemos una ecuación ya generalizada según [19] mismo que sirve para calcular la potencia mínima vs la distancia fija de cada uno de los sensores es decir de nodo a nodo, esto será útil para saber la distancia de propagación de la señal requerida.

Donde las variables de la ecuación representan lo siguiente parámetros:

d? distancia de la transmisión entre el transmisor y el receptor

Pt? potencia de transmisión.

Gt y Gr? son las ganancias del transmisor y receptor respectivamente.

?? es la longitud de la onda.

Pr? propagación del radio

n? es el factor de ajuste definida por la siguiente formula

h? altura de la antena; A, B, C y D son constantes de emparejamiento de curvas, los valores más óptimos son:

A = -0.0096, B = -0.1485, C = 1.1904, D = 12.591.

Seguridad en la Red ZigBee

Si hablamos de redes, estamos en la responsabilidad de garantizar que todos los sensores alámbricos WSN, principalmente en la transmisión de datos que proviene de cualquier sensor debe ser absolutamente controlado por un único usuario del hogar (propietario) y no por terceras personas [7]. Ninguna otra persona podrá filtrar datos de un usuario x, entonces aquí estudiaremos brevemente una de las formas para garantizar la seguridad de WSN. [20]

En método de Proxy re-cifrado (PRE) siglas de significado en inglés, lo que hace es volver a recifrar un texto ya cifrado con otros tributos concediendo parte del descifrado a otros, esto lo hace mediante. Todo esto lo hace mediante cinco políticas de algoritmos de configuración como: KEYGEN, RKGEN, ENC, REENC y DEC. Estas configuraciones tienen un índice de entrada ajustado a una llave maestra (mk) y salida de sistema de parámetro público (pp) y una clave maestra. [20]

Figura 3. Esquema de atributo base de proxy re-cifrado.[20]

La figura 2 presenta un esquema de seguridad donde, representa los bloques principales de configuración, En (PKG) genera una llave maestra y la clave pública, mismo que permite cifrar y descifrar el mensaje y después lo distribuye para cada nodo. Cuando el remitente envía un mensaje al nodo, este lo está encriptando el texto con una estructura de acceso, por otro lado, el destinatario recibe el texto cifrado y descifra el texto cifrado, si el destinatario acepta el texto cifrado, entonces lo descifrara el mensaje y está en la capacidad para activar dispositivos. [20]

Análisis

Para implementar un proyecto como el de redes de sensores inalámbricos WSN para hogares, primero que nada, se deber realizar un estudio de la infraestructura de la casa, ya que los sensores tienen una cierta distancia de cobertura y sobre todo, para que los sensores se diseñen acorde a la situación y necesidades del hogar y sean ubicados en un puntos específicos para que pueda funcionar correctamente, también no debe estar muy distante entre los sensores que actúan como cabeza (referencia) para que no sufra perdida de información, y de este modo garantizar la confiabilidad y reducir los costos de inversión aplicando los diferentes métodos según las necesidades y capacidades que se presenten.

Conclusiones

Todo los puntos estudiados tienen su propias ventajas y desventajas pero cada tipo o método de comunicación se puede aplicar dependiendo del grado de dificultad que tenemos, por ejemplo en el caso de las redes de comunicación la de GPS es más aplicados dentro de los campos de acción debido a que nos da coordenadas exactas del punto que se encuentra y además estos son los más usados por los militares, pero por el contrario tenemos las comunicaciones Wi-Fi, bluetooth e infrarrojos que son los más apetecidos para aplicaciones domóticas, por lo general por el bajo consumo de potencia y además se adapta a los diferentes medios de transmisión ya sea el tipo estrella malla o árbol. Según nuestro criterio el comunicador Wi-Fi es más apetecido en las casas hogar actualmente por su nivel de cobertura y más por el que se puede enlazar fácilmente con la internet. En cuanto a las topologías los de tipo árbol es el que mejor se adapta a la domótica por que puede adaptarse con múltiples sensores.

Referencias

[1] a. Wacker, T. Heiber, and H. Cermann, "A key-distribution scheme for wireless home automation networks," First IEEE Consum. Commun. Netw. Conf. 2004. CCNC 2004., 2004.

[2] J. Wang, C. Lin, E. Siahaan, B. Chen, and H. Chuang, "Mixed Sound Event Verification on Wireless Sensor Network for Home Automation," IEEE Trans. Ind. Informatics, vol. 10, no. 1, pp. 803-812, 2014.

[3] A. Hasibuan, M. Mustadi, I. E. Y. Syamsuddin, I. M. A. Rosidi, and A. Spesification, "Design and Implementation of Modular Home Automation Based on Wireless Network , REST API , and WebSocket," pp. 362-367, 2015.

[4] R. K. Mansano, E. C. Rodrigues, T. A. Oliveira, and E. P. Godoy, "A Soft Sensor for Energy Efficient Application of Wireless Networked Control Systems," pp. 4738-4744, 2014.

[5] M. S. Lebold, B. Murphy, D. Boylan, and K. Reichard, "Wireless technology study and the use of smart sensors for intelligent control and automation," 2005 IEEE Aerosp. Conf. Vols 1-4, pp. 2270-2284, 2005.

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[7] V. H. Bhide and S. Wagh, "i-learning IoT: An intelligent self learning system for home automation using IoT," 2015 Int. Conf. Commun. Signal Process., pp. 1763-1767, 2015.

[8] C. Gomez and J. Paradells, "Wireless home automation networks: A survey of architectures and technologies," IEEE Commun. Mag., vol. 48, no. 6, pp. 92-101, 2010.

[9] X. Zhang, Y. Gao, S. Zhou, and C. Yin, "Research on Fault-Tolerant Target Detection algorithm in wireless Sensor Networks," 2009 First Int. Conf. Futur. Inf. Networks, pp. 117-120, 2009.

[10] L. Jing, Z. Cheng, and Y. Zhou, "Delay guaranteed media access control for wireless home automation networks," Proc. – Int. Conf. Adv. Inf. Netw. Appl. AINA, pp. 846-853, 2012.

[11] X. H. Li, S. H. Hong, and K. L. Fang, "WSNHA-GAHR: a greedy and A* heuristic routing algorithm for wireless sensor networks in home automation," Commun. IET, vol. 5, no. 13, pp. 1797-1805, 2011.

[12] F. S. Al-sharbaty, "Technique Based ZigBee System," pp. 75-81, 2014.

[13] A. Sleman and R. Moeller, "Micro SOA model for managing and integrating wireless sensor network into IP-based networks," Proc. – 2nd Int. Conf. Comput. Intell. Commun. Syst. Networks, CICSyN 2010, pp. 137-142, 2010.

[14] C.-W. Lu and Q. Wu, "Performance study on SNMP and SIP over SCTP in wireless sensor networks," Adv. Commun. Technol. (ICACT), 2012 14th Int. Conf., pp. 844-847, 2012.

[15] a R. Al-Ali, Y. R. Aji, H. F. Othman, and F. T. Fakhreddin, "Wireless smart sensors networks overview," Second IFIP Int. Conf. Wirel. Opt. Commun. Networks 2005 WOCN 2005, pp. 536-540, 2005.

[16] G. Patrício and L. Gomes, "Smart house monitoring and actuating system development using automatic code generation," IEEE Int. Conf. Ind. Informatics, pp. 256-261, 2009.

[17] X. H. Li, S. H. Hong, and K. L. Fang, "A Heuristic Routing Protocol for Wireless Sensor Networks in Home Automation," 2009 5th Int. Conf. Wirel. Commun. Netw. Mob. Comput., pp. 1-8, 2009.

[18] Z. Zein-Sabatto, V. Elangovan, W. Chen, and R. Mgaya, "Localization strategies for large-scale airborne deployed wireless sensors," 2009 IEEE Symp. Comput. Intell. Multi-Criteria Decis. MCDM 2009 – Proc., pp. 9-16, 2009.

[19] J. Alshudukhi, S. Ou, P. Ball, L. Zhao, and G. Zhao, "Energy Efficiency Metrics for Low-Power Near Ground Level Wireless Sensors," pp. 329-335, 2015.

[20] H. Seo and H. Kim, "Zigbee security for visitors in home automation using attribute based proxy re-encryption," Proc. Int. Symp. Consum. Electron. ISCE, pp. 304-307, 2011.

Autor:

Luis Guiracocha

Universidad Politécnica Salesiana

Cuenca-Ecuador

Francisco Javier Lema Guallpa

Universidad Politécnica Salesiana

Cuenca-Ecuador