Redes de Datos de Sensores. Metodología para la Recolección, Administración y Presentación de Datos.

Una red de sensores consiste de un número de nodos que combinan capacidades de medición física como temperatura o concentración de algún elemento, con capacidades de interconexión y computación. Algunas redes, como las que monitorean el medio ambiente, consisten de muchos nodos que generan datos cada segundo haciendo el total de volumen de datos generados muy grande. Sin embargo para la mayoría de aplicaciones, las mediciones de sensores individuales son de menor importancia y los usuarios están generalmente más interesados en extractos que combinan un conjunto de mediciones de datos de sensores en una estadística más simple y sólida. Es por ello que muchas organizaciones que administran redes de sensores usan la Internet para publicar dichos extractos y de esta forma facilitar su uso.

Una de las tendencias actuales de recolección de datos usada por la comunidad científica es la iniciativa de las librerías digitales distribuidas. Las librerías digitales permiten a las organizaciones cooperar en proyectos comunes, reuniendo su información en un portal de recursos compartidos. Sin embargo, estas soluciones podrían no ser adecuadas para organizaciones que no desean hacer públicos sus repositorios de datos. Ante este problema, en el presente artículo explico como estructurar un sistema de administración de datos de sensores dentro de un esquema de federación.

Federación de Redes de Sensores

Para proteger la autonomía de las fuentes de datos podemos aplicar una federación de redes de sensores. Una implementación prototipo usando tecnologías Web ha sido desarrollada para un proyecto holandés denominado “Laboratorio de Escuela Virtual” el cual tiene como objetivo primordial crear una federación de diversas redes de sensores para permitir usar sus datos para propósitos educativos.

Federación es un modelo organizacional usado para agrupar socios independientes que están de acuerdo en seguir ciertos estándares y practicas de negocio para cumplir un objetivo común. Este modelo organizacional se ha utilizado desde hace siglos en diferentes ámbitos, y es una excelente opción para este caso.

En mi visión, los participantes de una federación de redes de sensores pueden ser agrupados de acuerdo a sus roles en:

• Productores de datos. Son redes de sensores independientes que desean participar en la federación. Las redes de sensores generalmente proporcionan registros con la fecha, hora y ubicación junto con los datos de observación que sus nodos capturan.
• Consumidores de datos. Son organizaciones privadas tales como escuelas, universidades, etc. que desean usar datos de sensores para propósitos educativos y de investigación.
• Proveedores de servicios. Son entidades que pueden consumir y procesar datos de sensores para producir información más útil, es decir con mayor valor agregado.
• Operadores. Administran la operación.

Utilizando esquemas de XML podemos publicar descripciones formales de las capacidades, ubicación e interfaces de los sensores asi como sus propias observaciones. Clientes y servidores en Internet pueden interpretar datos XML permitiendo la evaluación de los datos. En este contexto, el sistema de administración de datos de sensores facilitará las tareas de gestión de los distintos participantes de la federación.

Sistema de Administración de Datos

Pasemos ahora a como podría operar un sistema de administración de datos de sensores federado. En una federación con un número considerable de redes de sensores independientes, los datos de sensores pueden ser primero reunidos en un almacén de datos persistente y luego ser publicados para los consumidores. Esta solución de almacenamiento de datos central permitiría que los datos de sensores estén siempre disponibles y asegura niveles aceptables de calidad de servicio para los consumidores. Además, la federación no debe estar limitada a un conjunto pequeño de interfaces para redes de sensores específicas. Esta debe crecer dinámicamente y soportar un rango amplio de fuentes de datos. Dicha solución debe soportar los siguientes servicios:

• Registro de fuentes de datos. En la federación, las nuevas fuentes de datos deben ser registradas a través del sistema de administración de datos de sensores. Una vez que la fuente es registrada en el sistema, los datos pueden ser recolectados periódicamente además de ser procesados y presentados en formatos de fácil visualización. Esto es posible debido a que el sistema posee un servicio de recolección de datos que permite la interacción con diversas fuentes de datos a través de Internet.
• Recolección de datos. Dos mecanismos son posibles para la recolección de datos. El primero denominado “push” permite que bloques de datos sean enviados desde la fuente hasta el repositorio persistente. El segundo es denominado “pull” y permite que mensajes de consulta especiales puedan ser enviados directamente a las fuentes de datos. Estos mensajes de consulta pueden estar limitados a simples tareas predefinidas tales como “obtener el estado actual del sensor”. En la federación, las redes de sensores que usan el mecanismo “pull” poseen servicios web como una puerta para el mundo exterior. Esta solución también es denominada virtualización de redes de sensores. Asimismo, si las redes de sensores no desean lidiar con la complejidad de construir servicios web, ellas pueden usar el mecanismo “push” para enviar sus datos directamente al repositorio central. Aunque estas redes de sensores no necesitan construir sus propios servicios web, deben poseer una estación base capaz de usar servicios web remotos suministrados por la federación y que serán usados para enviar datos.

El servicio de recolección de datos posee un diseño extensible basado en adaptadores. Los adaptadores son generados dinámicamente y permiten al sistema capturar datos de sensores desde las diversas fuentes. Los adaptadores están basados en clases “Proxy” que encapsulan las complejidades de usar un servicio web y expone dicha complejidad a través de una simple interfaz. Durante el proceso de registro de una fuente de datos, el sistema obtiene toda la información necesaria para la generación de su adaptador asi como la descripción XML de su servicio Web (WSDL). Dicha información es luego usada por el sistema para invocar los diversos métodos que el servicio Web de la fuente de datos posee.

La figura 1 muestra una representación esquemática del registro, recolección y presentación de los datos de sensores. La figura 2 muestra una representación esquemática de los datos enviados por un teléfono celular con conexión a Internet y con la capacidad de medir concentraciones de monóxido de carbono (CO) en el ambiente.


Figura 1. Proceso de registro, recolección y presentación de datos

Figura 2. Ejemplo de una arquitectura