Servicios en Internet para monitoreo y control a distancia utilizando

Servicios en Internet para monitoreo y control a
distancia utilizando EDGE/GPRS-GSM
Mariano Lizárraga, Sergio Gallina, Matias Zamboni
Universidad Nacional de Catamarca, Facultad de Tecnología y Ciencias
Aplicadas, Departamento de Electrónica – Argentina
{[email protected], [email protected],
[email protected]}
Maximio Victoria 55 – (4700) San Fernando del Valle de Catamarca
RESUMEN
En este trabajo se presenta un estudio sobre el despliegue de un servicio
de monitoreo y control a distancia de parámetros utilizando móviles
EDGE/GPRS dispuestos geográficamente dentro del área de cobertura
de esta red pública. Esto se hace a través de la instalación de un
servidor conectado a Internet, que no sólo gobierna las funciones
específicas de este tipo de comunicación (verificando la presencia
activa de los móviles, su buen funcionamiento, recopilando sus
variables típicas, etc.) sino que también permite el acceso a esta
información mediante navegadores Web en computadores personales, o
el despliegue en teléfonos celulares.
PALABRAS CLAVE: EDGE, GPRS, GSM, móviles, monitoreo,
control, Internet
I. INTRODUCCIÓN
En este trabajo se analiza la transmisión de información digital utilizando las redes GSM
actualmente desplegadas, es decir, contando con las mejoras agregadas a la versión de la
primera especificación que consiste en los estándares GPRS (General Packet Radio Service) y
EDGE (Enhanced Data Rates For Global Evolution). Estas tecnologías surgieron en 1997 y
2003 respectivamente, y le permitieron a GSM entrar en una categoría que se conoce como
2.5G por contar con prestaciones mayores que las definidas para la segunda generación, e
incluso alcanzar los requerimientos de velocidad de transferencia especificados para la tercera
generación (3G) de sistemas de comunicación móviles. Se busca plantear un diseño de
referencia que describa una arquitectura que puede utilizarse para estas comunicaciones
digitales abracando el hardware y software asociado. Las aplicaciones de este sistema podrían
incluir la disponibilidad en Internet de: información meteorológica, información sobre el estado
de provisión de un servicio público para un cliente determinado, la posición de un vehículo o el
estado de una maquina de producción, entre otras; y la posibilidad de controlar remotamente
motores, bombas de agua, alarmas, consumos de servicios públicos, etc. Todo esto sería
practicable simplemente accediendo a Internet con un computador personal o un teléfono celular,
para este segundo caso utilizando el navegador WAP o aplicaciones para móviles diseñadas
específicamente para este fin que contarían con la ventaja de disminuir el volumen de
información transferida.
Claramente, el beneficio fundamental de utilizar esta tecnología radica en la posibilidad de un
canal móvil que se encuentra disponible en una considerable fracción del país, abarcando
extensas áreas rurales y permitiendo alcances aún mayores si se potencian equipos estándar con
antenas especiales.
Aunque la tecnologías 3G como UMTS-HSDPA brindan mayor capacidad de transferencia, y
son cronológicamente más recientes, sus “altos” costos de implementación, y la aceptación a
nivel mundial menor en el público si se compara con el salto producido ante la aparición de
GSM, hacen que aún exista EDGE/GPRS-GSM en su lugar, y por esto no son tecnologías que
puedan desaparecer en el corto plazo. Con EDGE/GPRS se ha dado el salto hacia las redes IP y
esto es lo sobresaliente, pues en el futuro las tecnologías celulares han de cambiar pero todo
apunta a mantener y mejorar el soporte de IP, y es así que cualquiera de las alternativas que
reemplace no afectarán la arquitectura que aquí se propone, y por lo tanto la viabilidad de
implementación de este sistema que desde ya se adelanta; aunque como es obvio, se mejorará la
velocidad de acceso a costa de reemplazar los modems.
Este texto se organiza de la siguiente forma, se plantea el contexto en la Sección I y en la
Sección II nos referimos a la posibilidad de transmitir información digital en GSM, luego en la
Sección III se define la arquitectura propuesta y en la sección IV se detalla la base de datos, para
describir cuestiones de la administración de la información desde Internet en la Sección V, y
exponer una conclusión en la Sección VI.
II. COMUNICACIONES DE DATOS EN GSM
Considerando una fuente de información digital cualquiera, si se desea transmitir utilizando el
canal inalámbrico brindado por GSM, se pueden encontrar tres alternativas claramente
diferenciables que describiremos a continuación.
CSD (Circuit Switch Data)
La implementación de una comunicación CSD recurre a una topología que es tradicional para
vínculos de datos entre estaciones y similar a la utilizada en redes anteriores a GSM, a cada
Terminal de Datos (DTE, Data Terminal Equipment) se la conecta a un modem que produce
una señal que se puede enviar utilizando el canal telefónico de voz. Esta forma de conexión
tiene el inconveniente de que la comunicación (orientada a la conexión) se tarifa por tiempo y
esto determina un costo “elevado” , y con tasa de transferencia máxima de 14,4 kbps. No
obstante, otro gran inconveniente es que no todas las prestadoras aceptan solicitudes de servicio
CSD. CSD permite a los usuarios acceder a un time slot de la trama digital (recordar que GSM
está basado en TDMA), y es por esto el throughput limitado.
Existe una modificación
denominada HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) que utilizando múltiples time slots
(hasta 4) logra velocidades de 57,6 kbps en 1800/1900 Mhz ó 38,4 kbps en 850/900 MHz,
aunque esta opción es a veces no permitida por las prestadoras para no consumir demasiados
recursos en un solo móvil. Tener en cuenta que antes de GSM, las conexiones de datos se
podían realizar usando el canal de voz analógico; GSM imposibilitó esto debido a las técnicas
de compresión que antes no estaban presentes y que tratan la onda de modulación para tener una
transmisión eficiente.
Figura 1: Comunicación CSD
SMS (Short Message Service)
Short Message Service permite el intercambio de cadenas de texto cortas entre dos teléfonos
móviles y fue definido como parte del estándar GSM en 1985. El SMSC (Short Message
Service Centre) es un componente de la red que recibe los mensajes de quién envía e intenta
transferirlos al destinatario, si este destinatario no es alcanzable, el mensaje es encolado para
nuevos intentos futuros (store-and-forward). Las prestadoras se reservan la información sobre el
tiempo de espera y cantidad de reintentos. Con respecto a la extensión de los mensajes, estos
pueden ser 160 caracteres de 7 bits, 140 caracteres de 8 bits o 70 caracteres de 16 bits. Es
posible la transmisión de mensajes de más de 160 caracteres recurriendo a la concatenación,
para esto a cada mensaje se lo dota de una cabecera de usuario (UDH, User Data Header), y de
esta forma, la carga de usuario puede ser: 153 caracteres de 7 bits, 134 caracteres de 8 bits o 67
caracteres de 16 bits. Con respecto a cuestiones de seguridad, el lector interesado puede recurrir
a http://www.smsanalysis.org/ para encontrar un análisis de la vulnerabilidad de un SMS. En la
figura 3 se muestra un diagrama simplificado de la arquitectura que da soporte a las
comunicaciones mediante SMS.
Figura 2: Comunicación SMS
A través de mensajes de texto es posible enviar información digital, aunque esta información
tendrá una tasa de transferencia muy baja, un costo muy alto (en relación con la cantidad de bits
enviada por cada segundo) y el inconveniente que representa subdividir la información en
bloques del orden de los 160 caracteres en una capa tan alta del resultante protocolo de
comunicaciones. Sin embargo, un decisivo problema de esta alternativa es el retardo variable y
en ocasiones del orden de las 15 horas que se presenta, además de tratarse de una comunicación
de tipo best effort (mejor esfuerzo) en la que la entrega no es garantizada.
EDGE/GPRS (Enhanced Data Rates For Global Evolution/General Packet Radio Service)
GPRS fue estandarizado primeramente por la ETSI (European Telecommunications Standard
Institute) pero luego lo hizo también la 3GPP (3rd Generation Partnership Project). Permite
comunicación de datos hacia móviles basada en la conmutación de paquetes. Está disponible
para dispositivos móviles de redes GSM o IS-136 (TDMA), aunque a nosotros nos interesa el
primer caso. Brinda tasas de transferencia de hasta 171,2 kbps y la tarifa está pautada de
acuerdo la cantidad de información transferida. El servicio GPRS es adecuado para aplicaciones
con transmisiones poco frecuentes, o aplicaciones en las que el tiempo medio entre conexiones
consecutivas es mayor que la duración media de la conexión. Entre esta tipología se incluyen las
aplicaciones interactivas, las transmisiones de ráfagas (bursty) en general, el acceso a Internet,
las aplicaciones de televigilancia y las de telemetría. La información que sale o llega a un móvil
siempre debe ser cursada a través de un servidor montado en Internet. El servidor es necesario
incluso si la comunicación se necesita entre dos móviles. Esto es así por lo siguiente: siempre la
dirección destino en un vínculo por GPRS es una dirección IP, por lo que el destino de la
información que sale del móvil que transmite deberá referenciar al servidor, este servidor deberá
reenviar aquella información a otro móvil (receptor) si era el propósito del origen. Este recurso
es una de las técnicas impuestas para poder controlar el tráfico y así poder facturarlo.
Figura 3: Comunicación GPRS
En la figura 4 se describen los componentes principales de un sistema tipo de comunicaciones
GPRS donde se incluyen los GGSN (Gateway GPRS Support Node) que básicamente se
encargan del encaminamiento y son el primer nodo donde el paquete saliente del móvil es
analizado. El protocolo GPRS es de tres niveles OSI (igual que IP), por lo tanto se muestra
transparente para todos los elementos de la red comprendidos entre el Terminal móvil y el nodo
GSN al que se conecta lógicamente. Esta unión es de tipo PPP (Point-to-Point Protocol) y el
resultado es la obtención de una dirección IP y acceso directo a Internet.
En comparación con GSM, la mejora en la capacidad de transferencia de GPRS radica en: los
mejores esquemas de codificación, y el uso de varios time slots en simultáneo. Los 171,2 kbps
máximos teóricos (CS-4) son difíciles de alcanzar en la práctica por la escasa disponibilidad de
ancho banda en la interfaz de radio y por la elevada relación Señal/Ruido (S/N) necesarias.
Esquema de Codif.
Bits de datos en
kbps/timeslot (interfaz Abis)
Throughput
bloque radio (456
kbps/(8
bits)
time slot)
CS-1
181
9,05
72,4
CS-2
268
13,4
107,2
CS-3
312
15,6
124,8
CS-4
428
21,4
171,2
Tabla 1: Máxima velocidad teórica según esquema de codificación GPRS
Por su parte, EDGE surgió como una mejora a GPRS, también es una comunicación por
conmutación de que permite velocidades de hasta 384 kbps. Los operadores de telefonía
pueden decidir las clases soportadas, y de esta manera determinar el thoughput que se brindará.
En una campaña de medida, los autores han relevado un rendimiento medio del orden de los 40
kbps con máximos de 60 kbps en puntos el norte argentino, valor que puede tomarse como
referencia para contrastar los valores definidos en el estándar.
III. ARQUITECTURA PROPUESTA
Ya enfocados en el caso de aplicación particular que proponemos para el canal EDGE/GPRS, se
diferenciarían dos componentes fundamentales: el servidor y el móvil, aunque los móviles
pueden ser más de uno. Se explica gráficamente con la siguiente figura.
Figura 4: Componentes de la arquitectura obtenida
El servidor
En esta entidad se realizarían tres funciones, y para esto se montan tres aplicaciones: el motor de
la base de datos, la aplicación de comunicaciones, la aplicación web/wap.
Motor de base de datos: Para tener un registro que de alguna manera pueda segmentarse
tomando parámetros específicos para una búsqueda particular necesaria, la mejor opción es
utilizar una base de datos. Previendo la cantidad de información a guardar y la frecuencia y
modo de acceso a ella, decidimos utilizar MySQL vinculado a Apache versión 2.5.5 para
administrar conexiones a una base de datos SQL.
Con este software sería posible acceder a la base de datos remotamente, sin embargo, aunque
esta funcionalidad podría utilizarse para mantenimiento, no tiene utilidad definida en la
arquitectura que aquí se propone pues el acceso a la información de las tablas es sólo permisible
a través de la navegación web o de teléfono celular, en principio.
Aplicación de comunicaciones: En esta aplicación se administraran las sesiones de transmisión
de los móviles, para lo que se deben prever conexiones en simultáneo. Básicamente, la lógica
consistiría en abrir un puerto y esperar solicitudes de conexión, al establecerse una conexión (a
nivel socket) utilizar un mecanismo de reconocimiento del cliente que puede estar basado en
métodos tales como claves de acceso simétricas para determinar el permiso de mantener la
conexión; autenticado el móvil y luego recibir la información entrante (sensores…), enviar la
información saliente (actuadores…) y finalmente terminar la conexión liberando recursos para
atender a otro móvil. Para independizarnos de funciones de control de flujo, etc. se propone
utilizar TCP.
Al terminar una comunicación con un móvil, se incluye en esta aplicación la capacidad de
insertar un nuevo registro en la base de datos para almacenar la información comunicada.
Además será necesario que esta aplicación monitoree cierta tabla de la base de datos buscando
información que deba ser bajada al móvil, por ejemplo un comando pendiente de ser ejecutado.
Aplicación web/wap: Es la aplicación que sirve a los clientes web y wap con un sitio en Internet.
Se cuenta con una página inicial de identificación (donde se puede anexar publicidad e
hipervínculos de patrocinadores o clientes). Desde aquí se puede acceder a las vistas de
información de la base de datos, con capacidad de navegación determinada por la identificación.
Si se tienen privilegios suficientes como para llegar a la tabla comandos, una interfaz gráfica
despliega los campos que pueden ser modificados y al hacerlo la aplicación de comunicaciones
detectará los cambios y los comunicará la móvil, que a través del procesamiento lógico
realizado en el microcontrolador realizará la acción de control correspondiente.
En el sitio se montaron versiones especiales de estas páginas para permitir el acceso utilizando
navegadores de Internet de teléfonos celulares, para esto se deben evitar ciertos recursos de
Html.
El móvil
El móvil se encuentra formado por un modem EDGE/GPRS Motorola G24 conectado a un
microcontrolador Microchip® PIC16F877. Utilizando MPLAB IDE® version 8.0 y Hi-Tech
Universal ToolSuite® version 9.6 se programó una aplicación escrita en lenguaje C para
controlar el funcionamiento y llevar un registro del estado interno del modem. Asimismo, este
microcontrolador es el que tiene la capacidad de adquirir la información de los sensores u otros
dispositivos que pueden conectarse a él (por ejemplo un GPS). Este equipo, finalmente formado
por un microcontrolador (con su hardware asociado tal como circuito de oscilación,
estabilización de tensión, etc.) y por un modem, completan el hardware necesario para el acceso
de registro remoto. Para el desarrollo y las pruebas de campo, el móvil fue especialmente
provisto de un teclado y una pantalla de cristal líquido que permiten acceder de manera más
fácil a ciertas funciones de depuración. Por supuesto, este móvil puede ser ligeramente
transformado al sacarle tales periféricos y de esta manera reducir su costo y tamaño sin perder
calidad ni eficiencia en el sistema global. Hay cuestiones particulares en la rutina de
funcionamiento del móvil que a continuación se analizan.
Rutina de inicialización de un modem GPRS: El microcontrolador es quien carga con la lógica
principal de funcionamiento de esta entidad de la red (el móvil).
Una parte importante de estas funciones tiene lugar cuando el móvil se enciende, es decir
cuando se inicia, o reinicia, la alimentación de energía. En este momento el microcontrolador
debe iniciar sus registros internos y configurar sus periféricos, pero luego de hacer esto, debe
también inicializar el modem.
La rutina de inicialización del modem es la que describimos ahora:
1. El microcontrolador envía un comando “ATE0” hacia el modem para desactivar la
retransmisión byte por byte de la UART (Universal Asynchronous ReceiverTransmitter). Esto sirve, además, para detectar el estado activo del modem
a. Si no se recibe respuesta al comando, después de haber esperado durante un
tiempo determinado (timeout) se reenvía el comando 1 vez mas
b. Si después del segundo intento nuevamente expira el timeout, se asume que el
modem no está conectado al microcontrolador.
2. Si se ha confirmado la presencia del modem mediante los pasos del punto I, el
microcontrolador envía comandos hacía el modem para pedir el registro en la red
EDGE/GPRS y obtener así una dirección IP
a. Si no se recibe respuesta, después de haber esperado durante un tiempo
determinado (timeout) se reenvía la petición 1 vez mas
b. Si después del segundo intento nuevamente expira el timeout, se asume que: la
red no acepta al modem en su red EDGE/GPRS, o que el modem ya está
registrado, y ya tiene una dirección IP. En este caso, para el funcionamiento del
móvil, se utilizará la dirección IP guardada en EEPROM.
Figura 5: Inicialización del móvil
Rutina de registro
Esta rutina se repite cada un determinado tiempo constante que se cuenta desde que el
microcontrolador se enciende, ó desde que se finalizó la última transmisión. El intervalo de
tiempo es preconfigurado en el microcontrolador, pero puede ser modificado remotamente a
través de cierto comando que puede ser enviado desde Internet. Se sigue esta secuencia
1. El microcontrolador envía comandos al modem para abrir un socket en el servidor
a. Si no se recibe respuesta al comando, después de haber esperado durante un
tiempo determinado (timeout) se espera durante un tiempo determinado
(segundo timeout, menor que el periodo entre transmisiones ordinarias) y se
vuelve a intentar esta apertura de socket; este bucle se repite 3 veces y en caso
de no conseguir la apertura, se reinicia el modem, de esta manera se reduce la
posibilidad de falla por enclavamiento lógico del modem.
b. Si se consigue la apertura del socket, se pasa a la rutina de autenticación
2. En la rutina de autenticación, el móvil envía un código que incluye su numero
identificatorio
a. Si el servidor reconoce el código mantiene la conexión, y devuelve una
confirmación
b. Si el servidor no reconoce el código enviado, interpreta que se trata de una
conexión no deseada y directamente cierra el socket para evitar intrusiones.
3. Una vez identificado, el móvil comienza la secuencia de transmisión que consta de 26
paquetes, donde se incluye la información de las entradas y salidas del microcontrolador,
texto de intercambio, fecha, etc.
4. Se cierra el socket y se ponen a cero los contadores para determinar el tiempo en que
será necesaria la transmisión siguiente.
Figura 6: Rutina de registro del móvil
Se propone plantear una mejora de este sistema utilizando SSL (Secure Socket Layer) si fuera
necesaria alta seguridad para algún caso particular.
IV. ESTRUCTURA DE LA BASE DE DATOS
Como se ha dicho, toda la información generada por los móviles, y la de los usuarios y
comandos, se almacena en una base de datos movida por MySQL. Este motor es uno de los más
potentes de la actualidad para la administración de bases de datos de gran tamaño y permite
administración remota. La información, como en toda base de datos, ha sido organizada en
tablas y a continuación se explicará de forma general lo que contiene cada una.
Tabla “Clientes”: En esta tabla se contempla la posibilidad de montar un servidor que de
servicio a múltiples móviles, pero abarcando la posibilidad de que estos puedan pertenecer a
diferentes subsistemas (por ejemplo, una distribuidora de agua, un servicio de vigilancia, etc.)
por lo que cada propietario se registra como un cliente (esta última palabra dicha en sentido
comercial) de quien monta el servidor
Tabla “Usuarios”: En esta tabla se registran los usuarios, relacionándolos con un cliente
determinado de la tabla anterior. Así se determinan privilegios tales como si un usuario tiene
acceso a la función de envío de comandos, o sólo a las funciones de monitoreo (visualización de
lecturas)
Tabla “Móviles”: Contiene la información completa de cada uno de los dispositivos móviles,
incluyendo la referencia a su propietario, el número telefónico del chip GSM de su módem y su
ubicación geográfica ordinaria (pues podría ser un dispositivo instalado en un vehículo)
Tabla “Sensores”: Aquí se incluye el registro de los sensores funcionando y se determina a qué
móvil pertenece, indirectamente se está fijando el propietario y los usuarios que pueden acceder
a su información. El registro de los sensores en una tabla separada de la tabla “Móviles” da
mucha mayor potencia a la estructura de registro y facilita los filtrados.
Tabla “Actuadores”: Contiene el registro de los actuadotes conectados a la salida de cada móvil.
También se ha implementado en una tabla separada de la tabla “Móviles” para potenciar la
estructura de almacenamiento.
Tabla “RegistrosPeriodicos”: Es la tabla que aloja los registros ordinarios de cada móvil. En ella
se identifica el estado en función del tiempo de las entradas y salidas de cada móvil. Es la tabla
que resume el funcionamiento total del sistema.
Tabla “Comandos”: Aquí se ubica la información que los usuarios pueden dar para ejecutar un
comando en un móvil determinado. Obviamente, sólo las salidas pueden ser directamente
afectadas y están relacionadas con un campo determinado dentro de la tabla. Para contemplar
eventuales fallas en la comunicación, se incluye un campo con el tiempo durante el cual el
comando es ejecutable (tiempo de vida) y otro donde se registra si el comando ya ha sido
enviado.
Tabla “Excepciones”: Esta es la tabla donde se registran problemas al enviar comandos, se
incluye una referencia al número de comando y un campo de texto dónde adjuntar comentarios
de detalle. Es la tabla donde se deben buscar anomalías para activar una alarma de falla, o
alertar de alguna manera al operador del servidor sobre un potencial o real problema.
V. ADMINISTRACIÓN A TRAVÉS DE INTERNET
Este sistema se plantea como un recurso para conocer información cuyo origen es
geográficamente distante, y se busca un registro organizado y de fácil entendimiento, para esto
se ha definido que sea posible utilizar Internet para conocer el estado actual en los móviles y
consultar su historial filtrando la información
-
para un móvil determinado
-
para un período de tiempo determinado
-
para un rango determinado de registros (según su numero de orden)
-
para un cliente determinado, de acuerdo con el apartado 5
De esta manera es posible obtener medidas estadísticas tales como: mínimo, máximo, promedio,
desviación típica; así como también conseguir una representación gráfica de las tablas obtenidas,
o incluso descargar un archivo de texto plano de tipo CSV (comma-separated value).
Figura 7: Consulta de ejemplo
Nos detenemos en explicar que, con respecto al acceso desde un teléfono celular, lo que se
propone como opción principal es utilizar el navegador de Internet de este dispositivo para
acceder al sitio que montamos. Sin embargo, un recurso altamente beneficioso sería proveer a
los clientes una aplicación (software para móviles) que se pueda instalar en los teléfonos para
comunicarse sin utilizar una página de Internet. Esto bajaría significativamente la cantidad de
información traficada para una consulta y por lo tanto aumentaría la velocidad de acceso
percibida por el usuario además de reducir el costo, que es alto para muchos planes de
suscripción de las prestadoras de telefonía actuales, aún así sin que signifique una causa de
inviabilidad económica para este desarrollo. Si bien para teléfonos de alta gama es común la
inclusión de sistemas operativos tales como Windows Mobile®, los autores hemos trabajado en
el diseño de aplicaciones construidas con Java 2 Micro Edition® impulsados por la posibilidad
de cargar estos desarrollos en teléfonos y PDAs de bajo costo (y alto consumo comercial). Con
esta modalidad, sería aún más fácil controlar la autenticación de usuarios, para las
funcionalidades en que fuera necesario, y se podría proveer el software para el móvil a través de
la misma página web.
VI. CONCLUSIÓN
La cobertura y rendimiento de la red GSM desplegada actualmente en Argentina permite la
implementación de sistemas de monitoreo y control a distancia instalando un servidor en
Internet, del cuál además se ha probado su capacidad para dar acceso a la información a
usuarios que naveguen en un sitio web desde una PC o desde un teléfono celular, permitiendo
aplicaciones de vanguardia y una gran ayuda para el sector empresarial/productivo y los
organismos públicos. Aunque en este texto el enfoque es el de una red de monitoreo de
parámetros obtenidos con sensores e instrumentos conectados a un microcontrolador en el móvil,
los conceptos son claramente extensibles a situaciones particulares necesitadas de movilidad
tales como el comercio electrónico.
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