Comunicación presentada al IV Congreso de Ciudades Inteligentes
Autores
- Manuel Álvarez-Campana, Profesor Titular, Grupo de Investigación RSTI, Universidad Politécnica de Madrid
- Gregorio López, Profesor Ayudante Doctor, Grupo de Investigación RSTI, Universidad Politécnica de Madrid
- Pablo Arias, Investigador, Grupo de Investigación RSTI, Universidad Politécnica de Madrid
- Julio Berrocal, Catedrático de Universidad, Grupo de Investigación RSTI, Universidad Politécnica de Madrid
Resumen
Un problema relevante a la hora de desplegar nuevos servicios para Smart Cities es que involucran sistemas complejos, para los que existen gran variedad de plataformas y tecnologías y que están compuestos por un número elevado de dispositivos, por lo que la inversión asociada suele ser considerable. En este contexto es especialmente útil disponer de entornos de prueba con la suficiente entidad para obtener resultados significativos pero que permitan experimentar libremente. Esto es precisamente lo que ofrece el living lab de la UPM Smart CEI Moncloa: una especie de sandbox gigante para experimentar con servicios para Smart Cities en el campus. Este artículo presenta el estado actual de la plataforma, así como su potencial.
Palabras clave
Arduino, Internet of Things, Monitorización Ambiental, MQTT, Raspberry Pi, Redes de Sensores, Smart Cities, Visual Analytics, Wi-Fi Tracking
Introducción
En el ámbito de las Smart Cities es interesante disponer de entornos de prueba que permitan evaluar servicios novedosos antes de su despliegue y puesta en marcha a gran escala. Los campus universitarios representan una buena opción en este sentido, pues pueden convertirse fácilmente en living labs abiertos a la experimentación. La Universidad de British Columbia representa una buena prueba de ello [1]. Este artículo se centra en un ejemplo nacional, presentando la plataforma Smart CEI Moncloa de la UPM, cuyo objetivo es precisamente facilitar la experimentación y evaluación de servicios para Smart Cities basados en IoT.
Smart CEI Moncloa
La Universidad Politécnica de Madrid lanzó en 2013 la iniciativa City of the Future [2], encaminada a potenciar las actividades de investigación, desarrollo e innovación en el ámbito del futuro de las ciudades desde un enfoque multidisciplinar. Dentro de dicha iniciativa, se planteó el despliegue de una plataforma para la experimentación de servicios Smart City en el Campus de Excelencia Internacional de Moncloa (CEI de Moncloa) [3].
Dicho Campus posee unas características geográficas y humanas especialmente adecuadas para su uso como banco de pruebas para servicios Smart City. A diferencia de otros Campus universitarios ubicados a las afueras de las ciudades, el CEI Moncloa está integrado dentro del área metropolitana de Madrid. Con una extensión de 5,5 Km2, el Campus engloba un total de 144 edificios, soportando un flujo diario de unas 120.000 personas (estudiantes y trabajadores). A ello ha de sumarse un tráfico rodado por sus viales de decenas de miles vehículos al día, con un elevado porcentaje de tráfico de tránsito, así como una infraestructura de transporte público significativa.
Al tratarse de una zona eminentemente universitaria, la actividad empresarial y comercial es prácticamente inexistente. Esto que, en principio, puede considerarse un hándicap a la hora de plantear el estudio de las ciudades, tiene en cambio como ventaja la posibilidad de realizar experimentos que difícilmente podrían llevarse a cabo en otras zonas urbanas sin generar trastornos significativos a los ciudadanos. Así, por ejemplo, sería posible el ensayo de un cierto modelo de parking regulado o de alumbrado inteligente, antes de extenderlo a otras zonas de la ciudad. Similarmente, el hecho de no ser una zona residencial, facilita las actuaciones en la vía pública por las noches o durante los fines de semana, agilizando el despliegue de la infraestructura necesaria para la experimentación de nuevos servicios.
Como se acaba de mencionar, el objetivo de la plataforma Smart CEI Moncloa es facilitar la experimentación en el ámbito de las Smart Cities, de manera que se puedan llevar a cabo estudios, investigaciones y pruebas de concepto que posteriormente puedan aplicarse de manera práctica en una ciudad. De este modo, se planteó el despliegue inicial de una plataforma que incorporará la infraestructura TIC básica para el soporte de los servicios a experimentar, junto con unas redes de sensores que permitieran demostrar la capacidad y escalabilidad de la solución adoptada. Como requisitos esenciales de la plataforma se decidió optar por soluciones abiertas y normalizadas, favoreciendo el despliegue de nuevos servicios a medida que se requiera. Asimismo, se consideró esencial que la plataforma fuera de bajo coste y escalable.
La plataforma Smart CEI Moncloa se basa en una arquitectura abierta, alineada con los estándares más recientes en el ámbito de las tecnologías Web y de la Internet del Futuro. De este modo, se facilita la incorporación de nuevas funciones y servicios a fin de posibilitar al máximo su empleo tanto por los grupos de la UPM como por las empresas y entidades interesadas. La arquitectura general de la plataforma se muestra en la Figura 1, donde se observan los 3 niveles que distingue el estándar IEEE P2413 [4]: sensing, networking and data communications y applications.
La plataforma Smart CEI Moncloa incluye un conjunto inicial de servicios piloto a los que se irán incorporando otros nuevos a lo largo de su vida útil. Los servicios piloto iniciales son los siguientes:
- Servicio piloto de análisis de flujos de personas. Permite el recuento aproximado de personas en el Campus, así como aplicaciones de interés asociadas como, por ejemplo, el estudio de patrones de movimiento, lugares con más tránsito, tiempos de estancia en puntos de interés, etc. Este servicio se basa en una red pasiva y de bajo coste de sensores Wi-Fi que monitorizan las direcciones MAC de los dispositivos Wi-Fi dentro de su alcance (Wi-Fi tracking).
- Servicio piloto de monitorización ambiental. Basado en el despliegue de una red de sensores ambientales distribuidos a través del campus. El servicio permite monitorizar parámetros diversos (composición de aire, temperatura, humedad, intensidad luminosa, y nivel de ruido) tanto en exteriores como en interiores de edificios. Este servicio utiliza sensores SCK [5] basados en Arduino.
La Figura 2 muestra el número de sensores de cada tipo desplegados en cada una de las escuelas de la UPM (en el caso de los sensores del servicio de monitorización ambiental se indica si están instalados en el exterior o en el interior del edificio).
A continuación, se detallan los subsistemas y módulos principales de la plataforma.
Red de sensores
Dispositivos para monitorización de flujo de personas
Los sensores Wi-Fi utilizados para el servicio de monitorización de flujo de personas se han desarrollado sobre una placa Raspberry Pi dotada de un USB dongle Wi-Fi configurado en modo monitor, como muestra la Figura 3. Se trata de una solución de bajo coste: unos 70 € por unidad. Uno de los componentes software esenciales del sensor es el programa wifimon, que procesa sobre la marcha las cabeceras de las tramas IEEE 802.11 detectadas por el dongle Wi-Fi. Por defecto, el programa efectúa un barrido periódico sobre los distintos canales WiFi, tanto en la banda de 2.4 GHz como de 5 GHz, generando un informe cada 5 segundos de los dispositivos detectados, y otro más detallado de la actividad de los dispositivos vistos cada cuarto de hora. Cabe señalar que el programa es configurable, pudiéndose, mediante un fichero de texto, establecer los canales a monitorizar, los intervalos de medida sobre cada canal, la periodicidad de los informes y otros parámetros.
Debido a los mecanismos de anonimización de direcciones MAC incluidos en los Smartphones más recientes [6], ha sido necesario modificar el software de los sensores con objeto de que esto no falsee las medidas obtenidas por la plataforma. Así, las tramas Wi-Fi con direcciones LMA son descartadas, y también aquellas cuyas direcciones pertenecen a los rangos empleados por algunos dispositivos Android para el envío de direcciones anónimas. Esta medida no implica una pérdida significativa de datos, ya que el número de dispositivos que usan técnicas de anonimización es aún bajo. Pero además sucede que el porcentaje de terminales Wi-Fi conectados es predominante, ya que las universidades ofrecen acceso Wi-Fi gratuito mediante el servicio eduroam, y en este caso sí se utiliza la dirección auténtica.
Dispositivos para monitorización de parámetros medioambientales
La monitorización de parámetros ambientales es una de las aplicaciones fundamentales del IoT para mejorar la calidad de vida en las ciudades. En la plataforma Smart CEI Moncloa se utilizan para ello los dispositivos SCK, mostrados en la Figura 4. Se trata de dispositivos de bajo coste (unos 200€, frente al enorme coste que tiene una estación medioambiental – en torno a miles de euros) y de hardware y software abierto. Dichos dispositivos monitorizan seis parámetros (temperatura, humedad, iluminación, ruido, CO y NO2) y son válidos tanto para medidas en interior como en exterior (con caja de intemperie adecuada).
El despliegue de los sensores ha requerido una serie de adaptaciones en su firmware, entre otras cosas, para incluir mecanismos para el reinicio automático de los dispositivos o la posibilidad de solicitar un reinicio de manera remota desde el cuadro de mandos. Todas estas medidas se consideraban esenciales de cara al despliegue de la plataforma a fin de evitar que, una vez instalados los sensores, hubiera que desplazarse y acceder físicamente hasta el emplazamiento del sensor para efectuar un reset harware.
Red de comunicaciones troncal
Como puede verse en la Figura 5, los sensores Wi-Fi están directamente conectados con los sistemas de información a través de Ethernet, sobre una VLAN específica definida al efecto. Los sensores Wi-Fi envían periódicamente las medidas que toman mediante el protocolo MQTT.
Los sensores medioambientales, por su parte, asumen el uso de una API REST para la sincronización de tiempo y el envío de las medidas a la plataforma SmartCitizen.me. Por lo tanto, para su empleo en la plataforma Smart CEI Moncloa fue necesario modificar el firmware a fin de redirigirlo a un servidor API REST desplegado en nuestro servidor central. Con objeto de uniformizar la arquitectura de la plataforma, y sacar provecho de la flexibilidad que MQTT ofrece al respecto, el servidor API REST que da servicio a los sensores de medioambiente hace también las veces de pasarela HTTP/MQTT. De este modo, los datos que envían los sensores se convierten en la pasarela en eventos publish que se envían al bróker MQTT.
Servidores y panel de control
Para el almacenamiento de los datos en el prototipo desarrollado se ha aprovechado la estructura de los tópicos MQTT, que incluye el correspondiente timestamp. Estos timestamps siguen el convenio YYYYMMDDhhmmss, lo que facilita enormemente la búsqueda de ficheros por periodos en los directorios donde se almacenan los datos. Esta característica, junto con el desarrollo de una librería muy eficiente desarrollada en lenguaje C que permite la manipulación y procesado de ficheros en formato CSV, permite construir sencillos scripts de consultas de series temporales con unos tiempos de respuesta muy inferiores a si se utilizaran bases de datos relacionales.
Asimismo, con objeto de demostrar las capacidades de la plataforma desplegada, se ha desarrollado una herramienta web que permite visualizar los datos capturados por las redes de sensores, así como la gestión remota de los mismos por parte de los administradores. La herramienta ofrece diferentes vistas, en función del tipo de usuario (invitado, partner o administrador), a través de las cuales se pueden visualizar diversas gráficas, mapas y tablas. La herramienta de visualización está basada en HTML5 y la librería Bootstrap.js, lo que permite un diseño responsive adaptable a distintos tipos de dispositivos (PC, tablet, smartphones).
En la Figura 6 se muestra una captura de pantalla de la página inicial de la herramienta, que proporciona una visión global de la actividad en el campus. Esta incluye un mapa de calor que proporciona una indicación en tiempo real, actualizable cada 5 segundos, de la densidad de personas (dispositivos Wi-Fi) en las distintas dependencias de la Universidad en el Campus. También se incluye una gráfica que muestra la evolución temporal del número de dispositivos detectados durante los últimos 7 días, así como un diagrama de barras comparando el número de dispositivos detectados durante los últimos 15 minutos en cada centro. El resto de información que incluye el panel de control puede encontrarse en [7].
Conclusiones
Este artículo presenta una visión general de Smart CEI Moncloa, la plataforma IoT de la UPM para la experimentación y evaluación de servicios para Smart Cities. El artículo resume el estado actual de la plataforma, proporcionando una descripción de la implementación técnica y de los servicios pilotos desplegados en la actualidad. Pueden encontrarse más detalles en [8].
Una plataforma de este tipo supone un recurso muy valioso para los actores involucrados en el ecosistema de las Smart Cities (ayuntamientos, empresas proveedoras de servicios, fabricantes de dispositivos) ya que permite llevar a cabo pruebas en un entorno inmejorable, con un número de usuarios considerable (de manera que se pueden extraer conclusiones significativas) y especialmente propicio para la innovación, en tanto en cuanto confluyen profesores, investigadores, estudiantes y profesionales del sector.
En principio, la plataforma Smart CEI Moncloa tiene vocación de crecer, incorporando nuevos dispositivos, nuevos servicios pilotos y abriendo los datos recolectados para fomentar un entorno de innovación abierta que permita sacar el máximo rendimiento de los mismos.
Agradecimientos
Este proyecto ha sido financiado en parte por el Ministerio de Economía y Competitividad a través del Proyecto DHARMA (Dynamic Heterogeneous Threats Risk Management and Assessment, TIN2014-59023-C2-2-R), y por la iniciativa City of the Future de la UPM. Los autores agradecen la colaboración a todos los estudiantes que han realizado sus Trabajos Fin Grado y Máster en el desarrollo y despliegue de la plataforma.
Referencias
- University of British Coumbia Sustainability: https://sustain.ubc.ca/our-commitment/campus-living-lab (20 de marzo de 2018)
- UPM City of the Future: http://blogs.upm.es/cityofthefuture-upm/en/initiative/ (20 de marzo de 2018)
- Moncloa CEI: http://www.campusmoncloa.es/en/cei-campus-of-international-excellence.php (20 de marzo de 2018)
- Minerva, A. Biru, D. Rotondi, “Towards a definition of the IoT”, IEEE Internet Initiative, 2015.
- Smart Citizen: https://smartcitizen.me (20 de marzo de 2018)
- Martin J. et al. “A Study of MAC address randomization in Mobile Devices and When it Fails”. In Proceedings on Privacy Enhancing Technologies 2017 (4): 268-286.
- Dashboard de la plataforma Smart CEI Moncloa: https://ceiboard.dit.upm.es/dashboard/ (20 de marzo de 2018)
- Alvarez-Campana, M.; López, G.; Vázquez, E.; Villagrá, V.A.; Berrocal, J. Smart CEI Moncloa: An IoT-based Platform for People Flow and Environmental Monitoring on a Smart University Campus. Sensors 2017, 17, 2856. doi:3390/s17122856