UNIVERSIDAD DE JAÉN ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR DE LINARES DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA DE TELECOMUNICACIÓN TESIS DOCTORAL ARQUITECTURA MULTI-AGENTE Y PROTOCOLO DE COMUNICACIÓN PARA DAR SOPORTE A SISTEMAS BASADOS EN CONOCIMIENTO EN REDES DE SENSORES INALÁMBRICOS PRESENTADA POR: JUAN CARLOS CUEVAS MARTÍNEZ DIRIGIDA POR: DR. D. JUAN CAÑADA BAGO DR. D. MANUEL ÁNGEL GADEO MARTOS JAÉN, 1 DE DICIEMBRE DE 2014 ISBN 978-84-8439-950-6 Para mi esposa, sufrida compañera en todo este periodo, y mis padres, quienes acertadamente me guiaron para llegar a lo que soy. AGRADECIMIENTOS A mis tutores, el Dr. D. Joaquín Cañada Bago y el Dr. D. Manuel Ángel Gadeo Martos por darme la oportunidad de trabajar con ellos en algo tan apasionante, y al Grupo de Investigación TIC220 de Ingeniería de Sistemas Telemáticos, por el apoyo prestado a mi investigación. RESUMEN El auge de las redes de sensores inalámbricos en estos últimos años ha propiciado la aparición de numerosas contribuciones científicas, así como una gran variedad de soluciones y aplicaciones. De entre éstas, gran parte de los esfuerzos investigadores han estado condicionados por la necesidad de conseguir un uso eficientemente de los recursos disponibles en un sensor, para poder así superar las limitaciones intrínsecas de estos: capacidad de proceso, memoria y disponibilidad de energía. Dentro de las técnicas empleadas para conseguir la gestión eficiente de los recursos en una red de sensores, y más concretamente, la gestión autónoma de los recursos de un sensor, están las basadas en el conocimiento: redes neuronales, algoritmos genéticos, sistemas bio-inspirados, etc. Sin embargo, aunque éstas presentan características apropiadas para esa tarea, no existen contribuciones remarcables en esa área, donde los sistemas borrosos basados en reglas se presentan, a priori, como los más apropiados. Por lo tanto, con la aplicación de los sistemas borrosos basados en reglas a la gestión autónoma de un sensor, se abre una nueva área de investigación, en la cual se encuadra la presente tesis. Este nuevo escenario necesita de nuevas arquitecturas internas para los sensores, apareciendo como una solución apropiada los sistemas multi-agente. Así mismo, se hace necesario un protocolo de aplicación que dé soporte a este tipo de sistemas, más aun, cuando en las redes de sensores no existe un protocolo apropiado para el envío de bases de conocimiento. Así, teniendo en cuenta lo anterior, se plantea como objetivo general la definición de una arquitectura multi-agente, cuya finalidad sea conseguir la gestión autónoma de los recursos de un sensor a través de sistemas borrosos basados en reglas. Todo ello se apoyaría en la capacidad de comunicación que aportaría un nuevo protocolo de aplicación. Por lo tanto, en esta tesis se presentan los trabajos de investigación que han conducido al desarrollo de una arquitectura multi-agente, donde los agentes son modelados a través de sistemas borrosos basados en reglas y cuya función es la de conseguir una gestión eficiente del ciclo de trabajo de un sensor. Así mismo, se han desarrollado nuevas estructuras de información y un protocolo de aplicación específico que da soporte a toda la red de sensores, haciéndola además, disponible desde Internet. Los resultados obtenidos muestran que la integración propuesta cumple satisfactoriamente con los objetivos marcados. Se han realizado tanto pruebas en simulación, como en equipos reales, los cuales formaban parte de un test-bed diseñado específicamente para poder contrastar los trabajos de investigación desarrollados. Así pues, se puede concluir que los sistemas borrosos basados en reglas permiten modelar efectivamente el comportamiento de un agente que gestione los recursos energéticos de un sensor, a la par que, gracias al empleo de un protocolo de aplicación específico, se permite su gestión dentro de una red de sensores. I ABSTRACT The rise of wireless sensor networks in recent years has favoured numerous scientific contributions, as well as a variety of solutions and applications. Moreover, most of those research efforts have been conditioned by the need to ensure efficient use of available resources in a sensor, and to overcome the inherent limitations of these: processing power, memory and energy availability. A wide variety of techniques have been applied in order to achieve an efficient management of the available resources in a sensor network. Among those techniques, computational intelligence ones like neural networks, genetic algorithms, or bio- inspired systems, appear as suitable solutions to achieve an autonomous management of the resources within a node. However, there are no remarkable contributions in that area, where the fuzzy rule-based systems can be presented as the most appropriate. Therefore, the application of fuzzy rule-based systems to the autonomous management of a sensor opens a new research area, in which this thesis should be included. This scenario requires new internal architectures for sensors, where multi-agent systems seem to be an appropriate solution. Likewise, it is necessary an application protocol which supports this type of systems, even more when there is not any proper protocol for sending knowledge bases in wireless sensor networks. So, taking into account the above-mentioned points, the main objective of this research work is the definition of a multi-agent architecture whose purpose is to achieve the autonomous management of the resources of a sensor through fuzzy rule-based systems. Moreover, those systems would rely on the communication services that bring a new application protocol. Therefore, in this thesis, it is presented the research that has led to the development of a multi-agent architecture, where agents are modelled by fuzzy rule-based systems to achieve an efficient management of the duty cycle of a sensor. In addition, new information structures as well as a specific application protocol that supports the entire sensors network have been developed, making the network available from the Internet, too. The obtained results show that the proposed integration satisfactorily meets the objectives. They have been tested both in simulations and real devices, which were part of a test-bed designed specifically to contrast the developed research work. Thus, it can be concluded that fuzzy rule-based systems can effectively model the behaviour of an agent in charge of managing the energy resources of a sensor. Moreover, thanks to the use of a specific application protocol, those agents can be managed within a sensor network. II ÍNDICE GENERAL CAPÍTULO I. PLANTEAMIENTO DE LA INVESTIGACIÓN Y REVISIÓN DE CONOCIMIENTOS. .................................................................................................................................. 1 1 CONTEXTO Y LOCALIZACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN ........................................................................ 1 1.1 INTRODUCCIÓN .......................................................................................................................... 1 1.2 JUSTIFICACIÓN .......................................................................................................................... 3 1.3 HIPÓTESIS Y OBJETIVOS ............................................................................................................. 4 1.3.1 Hipótesis primera ........................................................................................................ 4 1.3.2 Hipótesis segunda ....................................................................................................... 4 1.3.3 Hipótesis tercera ......................................................................................................... 4 1.4 OBJETIVOS GENERALES ............................................................................................................. 4 1.4.1 Objetivo 1. Estudio de las plataformas de redes de sensores y soluciones de comunicaciones existentes para WSNs. .................................................................................... 5 1.4.2 Objetivo 2. Diseño de una arquitectura multi-agente específica para WSNs. ............ 5 1.4.3 Objetivo 3. Desarrollo de un protocolo de comunicación para la gestión de los sensores. .................................................................................................................................... 6 1.4.4 Objetivo 4. Desarrollo de módulos de auto-gestión interna para los sensores con técnicas basadas en conocimiento. ............................................................................................ 6 1.5 ORGANIZACIÓN/ESTRUCTURA DE LA TESIS ................................................................................ 7 2 ESTADO DEL ARTE ............................................................................................................................... 8 2.1 REDES DE SENSORES .................................................................................................................. 8 2.1.1 Limitaciones de las redes de sensores ......................................................................... 9 2.1.2 Métricas de las redes de sensores ............................................................................. 10 2.1.3 Estrategias de eficiencia energética en redes de sensores ......................................... 12 2.1.4 Aplicaciones de las redes de sensores ....................................................................... 17 2.1.5 Tecnologías y Plataformas más usadas en redes de sensores ................................... 20 2.1.6 Tendencias actuales en las redes de sensores ........................................................... 24 2.1.7 Carencias e incertidumbres de las redes de sensores ................................................ 27 2.1.8 Utilización de test-beds en las redes de sensores ...................................................... 31 2.2 SISTEMAS MULTI-AGENTE EN REDES DE SENSORES................................................................. 36 2.2.1 Teoría de Agentes ..................................................................................................... 36 2.2.2 Estructuras de agentes............................................................................................... 37 2.2.3 Arquitecturas multi-agente ....................................................................................... 40 2.2.4 Lenguajes de especificación y comunicación entre agentes ..................................... 42 2.2.5 Aplicación de los sistemas multi-agente a las redes de sensores .............................. 43 2.3 LÓGICA BORROSA Y SU APLICACIÓN A LAS REDES DE SENSORES ............................................. 49 2.3.1 Sistemas Borrosos Basados en Reglas ...................................................................... 50 2.3.2 Aplicación de los FRBS a las redes de sensores ....................................................... 55 CAPÍTULO II. DESARROLLO Y METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN .................... 59 3 ARQUITECTURA MULTI-AGENTE ...................................................................................................... 59 3.1 REQUISITOS Y JUSTIFICACIÓN .................................................................................................. 59 3.2 ARQUITECTURA MULTI-AGENTE DE UN SENSOR....................................................................... 60 3.3 ARQUITECTURA DE LOS AGENTES ............................................................................................ 62 3.4 COMUNICACIONES ENTRE AGENTES ........................................................................................ 64 3.5 AGENTE DE GESTIÓN ............................................................................................................... 66 3.6 AGENTE DE CONTROL DE APLICACIÓN .................................................................................... 67 3.7 AGENTE DE COMUNICACIONES ................................................................................................ 70 3.8 PROPIEDADES DE LA ARQUITECTURA MULTI-AGENTE .............................................................. 71 3.8.1 Escalabilidad ............................................................................................................. 71 3.8.2 Replicación ............................................................................................................... 71 3.8.3 Adaptabilidad............................................................................................................ 72 4 PROTOCOLO DE COMUNICACIÓN ...................................................................................................... 73 4.1 INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................ 73 4.2 ESTRUCTURA JERÁRQUICA DE RECURSOS ................................................................................ 74 4.2.1 Formato de definición de recursos y parámetros ...................................................... 76 4.3 RECURSOS ............................................................................................................................... 77 III 4.3.1 Sistema (/system) ...................................................................................................... 77 4.3.2 Red de sensores inalámbricos (/wsn) ........................................................................ 78 4.3.3 Registro de actividad de la red (/wsn/log) ................................................................ 78 4.3.4 Registro de actividad de las sondas de un sensor (/wsn/log/<identificador de sensor>/probe)........................................................................................................................ 79 4.3.5 Sensores (/wsn/sensors/<identificador de sensor>) ................................................. 79 4.3.6 Tareas (/wsn/sensors/<identificador de sensor>/app/task) ....................................... 80 4.3.7 Sondas (/wsn/sensors/<identificador de sensor>/app/probes) ................................. 80 4.3.8 Sistema borroso (/wsn/sensors/<identificador de sensor>/app /frbs) ....................... 81 4.4 PROTOCOLO DE COMUNICACIÓN .............................................................................................. 82 4.4.1 Servicios ofrecidos por el protocolo ......................................................................... 82 4.4.2 Máquina de estados del protocolo ............................................................................ 83 4.4.3 Formato de los mensajes del protocolo ..................................................................... 85 4.4.4 Comandos del protocolo WISMAP .......................................................................... 88 4.5 PASARELA IP DEL PROTOCOLO WISMAP ............................................................................... 96 4.5.1 Mensajes del protocolo WISMAPi ........................................................................... 97 4.5.2 Método GET ............................................................................................................. 99 4.5.3 Método POST ........................................................................................................... 99 4.5.4 Códigos de estado ................................................................................................... 100 4.5.5 Uso de la pasarela WISMAP. ................................................................................. 100 5 APLICACIÓN DE SISTEMAS INTELIGENTES A LOS SENSORES .......................................................... 102 5.1 SISTEMA DIFERENCIAL .......................................................................................................... 103 5.1.1 Funcionamiento ...................................................................................................... 103 5.1.2 Método general de cálculo ...................................................................................... 104 5.1.3 Parámetros del sistema diferencial ......................................................................... 105 5.1.4 Sistema diferencial para el control del tiempo de sueño de un sensor en una aplicación de monitorización de la presión sonora ............................................................... 106 5.1.5 Mecanismo de evaluación de la calidad del SD ...................................................... 108 5.2 SISTEMA FRBS PARA LA GESTIÓN AUTOMÁTICA DEL TIEMPO DE SUEÑO. .............................. 109 5.2.1 Formato para definición de Bases de Conocimiento .............................................. 110 5.2.2 Descripción del formato XMLKB ............................................................................ 112 5.2.3 DTD del formato XMLKB ....................................................................................... 114 5.2.4 Formato de datos para la transferencia de Bases de conocimiento ......................... 115 5.2.5 Descripción del sistema .......................................................................................... 118 5.2.6 Base de conocimiento 1 (KB1) ............................................................................... 121 5.2.7 Base de Conocimiento 2 (KB2) .............................................................................. 122 CAPÍTULO III. RESULTADOS...................................................................................................... 125 6 BANCO DE PRUEBAS (TEST-BED) ..................................................................................................... 125 6.1 JUSTIFICACIÓN DE LA TECNOLOGÍA ....................................................................................... 126 6.2 ARQUITECTURA DEL TEST-BED .............................................................................................. 128 6.2.1 Aplicación web WISMAPWEB. ............................................................................ 130 6.2.2 Aplicación wismaphost ........................................................................................... 131 6.2.3 Aplicación wismapsensor ....................................................................................... 134 6.3 PRUEBAS DEL TEST-BED ........................................................................................................ 134 6.3.1 Prueba 1 - Lectura del valor de una sonda. ............................................................. 135 6.3.2 Prueba 2 - Comprobación de los valores leídos por una sonda. .............................. 136 6.3.3 Prueba 3 - Cambiar el tiempo de sueño por defecto de un sensor. ......................... 136 6.3.4 Escenario de pruebas. ............................................................................................. 137 6.3.5 Resultados de las pruebas. ...................................................................................... 137 6.4 CONCLUSIONES DE LAS PRUEBAS. ......................................................................................... 138 6.5 RED DE SENSORES DESPLEGADA EN LA E. P. S. DE LINARES .................................................. 139 7 PRUEBAS REALIZADAS A LOS SENSORES CON ARQUITECTURA MULTI-AGENTE ............................ 141 7.1 PRUEBAS A LA APLICACIÓN WISMAPSENSOR ......................................................................... 141 7.1.1 Descripción de las Pruebas. .................................................................................... 142 7.1.2 Escenario de pruebas. ............................................................................................. 142 7.2 ESTABLECIMIENTO DEL VALOR BASE DE FIABILIDAD............................................................. 142 7.2.1 Cálculo del tiempo máximo de vida en función del tiempo de proceso. ................ 143 7.2.2 Cálculo del tiempo máximo de vida con ciclos de sueño y proceso alternados. ..... 144 IV