Arquitectura de Aplicaciones de Software Embebido en ...bibliotecadigital.usb.edu.co/bitstream/10819/5794/3/Ar...Arquitectura de Aplicaciones de Software Embebido en Micro Controladores

Arquitectura de Aplicaciones de Software Embebido en Micro Controladores para Tarjetas de

Captura de Datos de la IOT.

José Fernando Mendoza Ibarra , [email protected]

Tesis de Maestría presentada para optar al título de Magíster en Ingeniería de Software

Asesor: Hugo Armando Ordoñez Eraso Doctor (PhD) en Ingeniería Telemática

Universidad de San Buenaventura Colombia

Facultad de Ingeniería

Maestría en Ingeniería de Software

Santiago de Cali, Colombia 2018

Citar/How to cite [1]

Referencia/Reference

Estilo/Style:

IEEE (2014)

[1] J. Mendoza, “Arquitectura de Aplicaciones de Software Embebido en Micro

Controladores para Tarjetas de Captura de Datos de la IOT”, Tesis Maestría en

Ingeniería de Software, Universidad de San Buenaventura Cali, Facultad de

Ingeniería, 2018..

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Dedicatoria

A mi Madre Francia Elena Ibarra quien me formó, gran mujer formadora de grandes hombres, ser

incansable y justo. A todos mis mentores, que por mi vida han pasado, por enseñarme que del

fracaso se aprende y que en las dificultades salen las mejores cosas y se superan los grandes

desafíos. JJGA.

Agradecimientos

Al Supremo por permitirme culminar mis estudios de Maestría al igual que poder aplicar la

investigación a mi área de desarrollo en casos reales.

Reconocer, el soporte y aporte académico en diferentes áreas del saber entregado por cada uno

de los profesores que integran la investigación en el laboratorio de LIDIS de la Universidad

de San Buenaventura Cali, en estudios de Maestría en Ingeniería del Software.

Al director de este proyecto, el Ingeniero Hugo Armando Ordoñez, PhD, por sus aportes y

grado de confianza generado al desarrollo del mismo.

A los demás investigadores y colaboradores, que con su ayuda y compresión pusieron un

granito de arena en la construcción de esta investigación, al igual a todas las personas que de

una u otra forma brindaron su aporte desinteresado al desarrollo este proyecto.

Deuda de gratitud para ellos.

Gracias.

TABLA DE CONTENIDO

RESUMEN ....................................................................................................................................... 9

I. INTRODUCCION ...................................................................................................................... 11

II. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .................................................................................. 14

III. JUSTIFICACIÓN ..................................................................................................................... 15

IV. OBJETIVOS ............................................................................................................................ 16

A. Objetivo general .................................................................................................................... 16

B. Objetivos específicos ............................................................................................................. 16

V. RESULTADOS OBTENIDOS ................................................................................................. 17

VI. MARCO TEÓRICO ................................................................................................................. 19

Trabajos Relacionados. .............................................................................................................. 19

VII. ARQUITECTURA DE SOFTWARE .................................................................................... 22

A. Importancia de la Arquitectura de Software . ........................................................................ 22

B. Definición de Atributos de Calidad. ...................................................................................... 23

C. Estilos de Arquitectura. ......................................................................................................... 23

D. Frameworks y Vistas. ............................................................................................................ 24

E. Internet de la Cosas. ............................................................................................................... 25

F. Dispositivos Inteligentes. ....................................................................................................... 25

G. Arquitectura de Software IOT. .............................................................................................. 26

H. Nivel Arquitectural Propuesto. .............................................................................................. 29

1. Arquitectura de Software. ................................................................................................... 29

2. Micro-Controlador. ............................................................................................................. 29

3. Caracterización de los MicroControladores. ....................................................................... 31

4. Soluciones IOT. .................................................................................................................. 33

I. Arquitectura de Software Propuesta. ...................................................................................... 33

1. Atributos Arquitectónicos. .................................................................................................. 35

2. Requisitos Funcionales. ...................................................................................................... 35

3. Estilo Arquitectónico. ......................................................................................................... 36

4. Patrones de Arquitectura vs Capas. .................................................................................... 36

5. Vista General de la Arquitectura. ........................................................................................ 39

6. Capa de Abstracción del Sistema (Hardware). ................................................................... 40

7. Relación entre los componentes. ......................................................................................... 41

8. Vista Lógica. ....................................................................................................................... 41

9. Vista Física. ......................................................................................................................... 42

VIII. APLICACIONES .................................................................................................................. 45

Ejemplo Práctico ........................................................................................................................ 45

A. Problema Propuesto en caso de estudio ............................................................................. 45

B. Solución Planteada ............................................................................................................. 46

Vista General .............................................................................................................................. 46

Arquitectura Detallada. .............................................................................................................. 47

Vista Lógica. .............................................................................................................................. 48

A. Capa Lógica. ...................................................................................................................... 48

B. Capa de Hardware. ............................................................................................................. 50

Vista de Procesamiento. ............................................................................................................. 51

Vista Física. ................................................................................................................................ 53

IX. EVALUACION ....................................................................................................................... 54

Evaluación .................................................................................................................................. 54

A. Evaluando la Arquitectura Propuesta. ................................................................................ 54

B. Priorización de Atributos y Escenarios ATAM para validación ........................................ 55

C. Escenarios de Evaluación. .................................................................................................. 57

A. Resultados Obtenidos. ........................................................................................................ 61

X. CONCLUSIONES ..................................................................................................................... 63

Conclusiones y trabajos futuros ................................................................................................. 63

REFERENCIAS ............................................................................................................................. 65

LISTA DE TABLAS

Tabla I. Generacion De Nuevo Conocimiento Y Desarrollo Tecnologico .................................... 17

Tabla II. Fortalecimiento De La Comunidad Cientifica ................................................................ 17

Tabla III. Apropiacion Social Del Conocimiento Involucrado En El Desarrollo De La

Investigacion .......................................................................................................................... 17

Tabla IV. Frameworks De Arquitectura ......................................................................................... 24

Tabla V. Caracterizacion De Los Microcontroladores ................................................................... 31

LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Harvard Microcontroller Architecture ............................................................................ 30

Figura 2. Diagrama de Componentes de una tarjeta de la IoT. ..................................................... 31

Figura 3. Arquitectura de Referencia en el diseño arquitectónico. ................................................ 34

Figura 4. Capas y Componentes de la arquitectura propuesta. ..................................................... 37

Figura 5. Vista Lógica de la Arquitectura Propuesta. .................................................................... 42

Figura 6. Modelo Orientado a Servicios de un sistema embebido en la IOT. ............................... 43

Figura 7.Vista Física de la Arquitectura de Referencia. ................................................................ 44

Figura 8. Vista de la Arquitectura Concreta. .................................................................................. 47

Figura 9. Vista de la Arquitectura detallada. .................................................................................. 48

Figura 10. Vista Lógica de la Arquitectura detallada. .................................................................... 50

Figura 11. Vista Lógica de la Arquitectura detallada (Hardware Layer). ...................................... 51

Figura 12. Diagrama de Actividad UML para la interpretación de una petición de usuario o

sistema externo. ...................................................................................................................... 52

Figura 13. Vista Física de la Arquitectura detallada. ..................................................................... 53

Figura 14. Priorización de Atributos y Escenarios de Validación. ................................................ 57

Figura 15. Visualización del Comportamiento de la Variable Tempera en la Aplicación Móvil. . 59

Figura 16. Visualización del Comportamiento de la Variable Temperatura vs Humedad vs

Volumen. ................................................................................................................................ 61

Figura 17. Montaje de los colectores de agua de niebla con dispositivo de captura. ..................... 61

Figura 18. Agua Colectada Vs Hora del día por fibra. ................................................................... 62

ARQUITECTURA DE APLICACICONES DE SOFTWARE EMBEBIDO EN MICROCONTROLADOR…. 9

RESUMEN

Esta investigación de tesis en maestría presenta una propuesta de modelo de arquitectura de

software para el desarrollo de aplicaciones que se ejecutan en microcontroladores sobre tarjetas

de captura de datos para la IOT, la arquitectura de software explica la estructura, funcionamiento

e interacción de los diferentes componentes del software y no se centra en algoritmos ni

estructuras de datos, muestra el diseño y especificación global del sistema.

La propuesta muestra los componentes y subcomponentes de la arquitectura de software y plantea

una alternativa de modelamiento arquitectónico para la escritura de aplicaciones, teniendo en

cuenta los diferentes componentes de hardware tales como memoria, procesamiento entradas y

salidas de datos, logrando un desarrollo de aplicaciones modulares y parametrizables.

Palabras clave: Microcontroladores, Arquitectura de software, Internet de las cosas, IOT, Smart

Cities


ABSTRACT

This Tesis presents an software architectural model for applications to be executed in Micro-

controllers running on capture data cards for Internet of Things (IoT). The proposed software

architecture describes the structure, function and interaction of software components.

Architecture it also describes the overall design and system specification and does not focus on

algorithms and data structures. Thus, The present approach describes the components of the

software architecture and proposes an architectural modeling which considers hardware

components such as memory, processing input and output data. This architectural approach

leverages the development of modular and configurable applications

Keywords: Microcontrollers, Software Architecture, Internet od Things, IOT, Smart Cities


I. INTRODUCCION

En la actualidad se tiene la necesidad [1] de capturar variables análogas y digitales en tiempo real

[2], las cuales deben estar siendo tomadas y vigiladas continuamente en sitios cercanos ó

distantes del lugar de donde son capturadas. Para ello existen soluciones electrónicas que

permiten realizar esta actividad, soluciones que requieren de componentes de captura (sensores),

procesamiento (micro-controladores) de datos, los cuales trabajan con software embebido.

La captura de datos en tiempo real y el creciente desarrollo de la Internet en muchos de los

ámbitos de la vida cotidiana, ha contribuido a acercar la tecnología a las personas y a las

empresas. Este acercamiento permite una mayor interacción entre los diferentes entes que

conforman la gran red mundial [3][4]. Todo este desarrollo ha llevado a que cada vez más

dispositivos estén interconectados a esta red, dando así, nacimiento a la internet de las Cosas (IoT

– Internet of Things, en inglés) [5]. Este término hizo referencia a que en algún momento las

cosas estarían comunicadas y trabajando en conjunto con las personas.

Con base en lo anterior, es notable en la actualidad el uso masivo de dispositivos electrónicos

como el Smartphone o aparatos de uso doméstico como televisores, aires acondicionados,

puertas, entre otros, que pueden estar conectados a la gran red mundial, aportando servicios de

publicación y consulta de información, de esta misma forma todos los dispositivos (Cosas)

conectados a Internet poden ser vigilados y analizados desde cualquier parte del planeta solo con

una conexión a Internet [6]. Los dispositivos electrónicos “inteligentes” que conforman el IoT

varían ampliamente en su uso, y son soportados por micro-controladores encargados de procesar

la información que se comparte en entre estos dispositivos [7][8][9][10].

El desarrollo de aplicaciones software, hace parte de un sin número de aportes tecnológicos que

ayudan a la evolución de las nuevas tecnologías en todos los ámbitos en los cuales se requiera el

procesamiento de datos y, el electrónico no se escapa al ámbito de aplicación del desarrollo de

software.

Existe software que se ejecutan en grandes máquinas desde los main frames, hasta las super

computadoras que hoy procesan grandes cantidades de datos; pero también podemos decir que

existen pequeñas maquinas (hardware electrónico, basado en micro-controladores) capaces de

procesar datos y que resultan ser muy útiles a la hora de capturar, procesar y enviar información a


sitios distintos al de su captura.

Los micro-controladores han existido desde mucho tiempo atrás y han sido utilizados en tareas

tanto específicas como generales, el desarrollo de los mismos ha dado origen a grandes

soluciones hardware las cuales han originado desarrollos tecnológicos que han aportado de la

misma manera al crecimiento y evolución tanto de la ciencia como de la tecnología.

El micro-controlador, en un ámbito general, es el elemento hardware capaz de realizar todos las

operaciones aritmético-lógicas que permiten capturar, procesar y entregar los resultados para los

cuales son programados, en ese sentido, es donde aparece el desarrollo de software como

complemento para poder tener una solución integra, robusta, eficiente y capaz de resolver un

problema en particular. Es entonces donde entra a ser parte fundamental el modelado

arquitectónico de las aplicaciones que se ejecutan en los micro-controladores. Ahora bien, poder

encontrar una arquitectura para desarrollo de software embebido en micro-controladores que sea

una referencia, y que permita al equipo de desarrolladores centrarse en la implementación de la

misma y de la lógica de negocio, no ha sido una tarea fácil, la literatura se enfoca en tratar

aspectos de patrones y ligeras iniciativas sin entrar en detalle de una arquitectura como tal.

En la actualidad, la mayoría de las soluciones IoT se enfocan en campos específicos y utilizan

dispositivos y tecnologías particulares [3]. Esta situación redunda en soluciones con arquitecturas

específicas del dominio con poca capacidad de integrarse o replicarse [10]. En este orden de

ideas, en la práctica ha sido difícil unificar una arquitectura de software para la construcción de

sistemas embebidos para IoT [3][11][12][13].

En ese contexto, la propuesta está direccionada a definir una arquitectura para aplicaciones

embebidas que permita la interacción entre el software que se ejecuta en el micro-controlador y el

resto de componentes hardware que cohabita en las tarjetas electrónicas de captura de datos,

teniendo en cuenta que algunas de estas tarjeta son de propósito general y otras de propósito

específico.

La arquitectura propuesta va más allá del ámbito de la tarjeta del sistema y propone un

modelamiento genérico de la solución software completa que se ejecuta en el micro-controlador.

Igualmente incluye las diferentes capas de software de la aplicación a desarrollar. La arquitectura

busca servir de marco para el desarrollo de soluciones software escalables y mantenibles que se

ejecuten en micro-controladores en tarjetas para la captura de datos de soluciones para IoT.


El enfoque arquitectónico propuesto está dado para soluciones software que se ejecuten en micro-

controladores en tarjetas para la captura de datos orientadas a soluciones para internet de las

cosas.


II. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

En la actualidad, se desarrollan soluciones para problemas específicos para la Internet de la cosas

(Internet of the things ó IOT [5]), con dispositivos particulares o una tecnología en particular [3],

lo cual termina en aplicaciones específicas con arquitecturas de software específicas con poco

lugar para interactuar con otros sistemas [11]. En ese ámbito se detecta esta problemática en

varios trabajos [3],[14],[15],[12], no se han identificado arquitecturas de software prácticas y

concretas para la construcción de sistemas embebidos que puedan ser integrados al ecosistema

del Internet de las Cosas [16]. En [17],[18], se propone un modelo arquitectónico de referencia,

desde dispositivos físicos hasta el consumo y análisis de datos en las capas superiores

(aplicación), es decir en las aplicaciones que usaran los datos, modelo mediante el cual a través

de algunos requerimientos se puede obtener una arquitectura concreta. Sin embargo, si bien los

autores identifican a los dispositivos como sistemas embebidos que interactúan entre el mundo

digital y el físico, conectando entidades físicas del mundo real a internet, el modelo no contempla

ni define qué arquitectura o qué componentes debe tener el software de un sistema embebido para

que pueda formar parte de un ecosistema del Internet de las Cosas [11].


III. JUSTIFICACIÓN

A pesar de la existencia de distintas arquitecturas de alto nivel como las presentadas en [12],[3],

[17] ó [11], ninguna abarca específicamente una arquitectura para que se adapte al paradigma de

la IOT, haciendo que quienes desarrollen soluciones software para micro-controladores que

ejecutan software en tarjeta para la IOT , tengan que definir su propia arquitectura para un

problema en particular, sin tener un esquema de referencia en el cual basarse o poder reutilizar.

El desarrollo de esta tesis en Maestría “Arquitectura de Aplicaciones de Software Embebido en

Micro Controladores para Tarjetas de Captura de Datos de la IOT”, presenta una propuesta de un

modelo arquitectónico validado que permite desarrollar soluciones software que se ejecuten en

micro-controladores, con una estructurada definida y generalizada, capaz de satisfacer los

requisitos funcionales y de calidad, y que al mismo tiempo permite tener soluciones de software

robustas que hagan parte del ecosistema de la IOT.


IV. OBJETIVOS

A. Objetivo general

Diseñar una arquitectura de software para sistemas embebidos que se ejecuten en Micro-

Controladores para tarjetas de captura de datos de la IOT.

B. Objetivos específicos

1. Definir los componentes arquitectónicos que soportarán la arquitectura.

2. Diseñar una arquitectura de software que satisfaga los requisitos funcionales de un

producto software embebido

3. Evaluar la arquitectura a través de un estudio de caso, aplicado en el desarrollo de

software embebido para tarjetas de captura de datos agro-climáticos.


V. RESULTADOS OBTENIDOS

A continuación se describe los resultados obtenidos en esta investigación con relación a:

Tabla 1. Generación de nuevos conocimientos y desarrollos tecnológicos.

Tabla 2. Fortalecimiento de la comunidad científica nacional.

Tabla 3. Apropiación social del conocimiento involucrado en el desarrollo de la

investigación.

En cada uno de los tipos de resultados obtenidos se definen los resultados, el indicador o los

beneficiarios de los mismos.

TABLA I. GENERACION DE NUEVO CONOCIMIENTO Y DESARROLLO TECNOLOGICO

Resultados Indicador

Una Arquitectura propuesta para

desarrollo de software embebido

en microcontroladores de tarjetas

para internet de las cosas.

Documento de tesis de maestría, trabajos en

eventos nacionales e internacionales y revistas.

TABLA II. FORTALECIMIENTO DE LA COMUNIDAD CIENTIFICA

Resultados Beneficiarios

Formación de talento humano a

nivel Tecnológico – Especialización

Sena.

40 aprendices del Centro de Electricidad y

Automatización Industrial Diplomado de

desarrollo Móvil con integración de

dispositivos electrónicos para la IOT del

Sena Regional Valle.

TABLA III. APROPIACION SOCIAL DEL CONOCIMIENTO INVOLUCRADO EN EL DESARROLLO

DE LA INVESTIGACION

Resultados Indicador

Dos artículos en eventos y

publicaciones internacionales en

temáticas directamente relacionadas

1. J. Mendoza, H. Ordoñez, A. Ordoñez.

“Architecture for embedded software in


con el proyecto de investigación. microcontrollers for Internet of Things

(IoT) in fog water collection”. 8th

International Conference on Ambient

Systems, Networks and Technologies,

ANT-2017 and the 7th International

Conference on Sustainable Energy

Information Technology, SEIT 2017, 16-

19 May 2017, Madeira, Portugal. Artículo

publicado en Procedia Computer Science

109C (2017) 1092–1097

www.elsevier.com/locate/procedia ó

https://www.sciencedirect.com/science/art

icle/pii/S1877050917310700.

2. J. F. Mendoza, H. Ordóñez, A. Ordóñez,

R. P. C. do Nascimento. “Software

Architecture for IoT Microcontrollers

with Emphasis on Agroclimatics Data

Capture”. IEEE Latinoamerica, 2017

http://www.elsevier.com/locate/procedia


VI. MARCO TEÓRICO

Trabajos Relacionados.

La arquitectura de software es una disciplina estudiada por la Ingeniería de software, la cual tiene

variados exponentes y tendencias dependiendo del objeto de aplicabilidad, algunos delos

referentes importantes en estos temas son Booch, Martin, Jacobson, Rumbaugh, Larman [19][20],

quienes hacen sus primeras apreciaciones en términos de arquitectura refiriéndose a patrones de

diseño en UML y orientados a objetos. Buschmann y Sommerlad comenzaron a hablar de

patrones de diseño orientados a la arquitectura de software [20], ilustrando una serie de patrones

que en su interior, muestran los componentes del software y sus relaciones para cumplir con los

requisitos.

Bazz, Clements y Kazman [19] presentan un enfoque basado en las decisiones de tipo técnico que

son influenciadas por factores como: Stakeholders, la organización, la experiencia del arquitecto,

el ambiente técnico, entre otros. El énfasis de estos autores está en que la arquitectura debe estar

enfocada en casos de estudio y no en generalidades. Trata también lo referente a la importancia

de la arquitectura de software y los beneficios de la misma para el equipo de desarrollo, el

crecimiento del producto, la mantenibilidad del software y la trasferencia de conocimiento. Estos

autores no dejan de lado el uso de patrones para solucionar los problemas planteados por los

requisitos.

En [21] y [22] Garlan y Shaw exponen distintos estilos arquitectónicos que podrían adaptarse

dependiendo del tamaño del software. Estas propuestas hablan de los Frameworks como

elemento fundamental en la construcción de software y de la importancia de considerar estos

frameworks a la hora de optar por una arquitectura de software. Este grupo de trabajos enfatiza

que la arquitectura de software está compuesta por componentes, sus relaciones y las

restricciones que imponen los requisitos funcionales y no funcionales.


En este sentido, existen algunas iniciativas de arquitecturas para sistemas embebidos, en [23] se

destaca que en el dominio de sistemas embebidos se podrían implementar los patrones de diseño

arquitectónicos expuestos por autores antes mencionados y en qué tipo de soluciones se usarían.

Sin embargo, esta propuesta no presenta una arquitectura de software para sistemas embebidos,

sino que se concentra en el uso de patrones para el desarrollo de software.

En [24] es expuesta la importancia de la arquitectura de software en los sistemas embebidos y

trata temas importantes como son la confiabilidad y la eficiencia de estos sistemas para que sean

exitosos. De otro lado, le da importancia al papel que juegan las restricciones técnicas de los

dispositivos al momento de proponer alguna arquitectura. Esta propuesta se apoya en UML para

explicar los patrones y expone ejemplos de patrones en una arquitectura. Sin embargo, esta

propuesta no tiene una postura definida frente a una arquitectura como tal.

En [25] se plantea una arquitectura MVC (Modelo-Vista-Controlador), que puede ser

implementada en sistemas embebidos haciendo énfasis en un dispositivo Lector RFID, el cual se

ejecuta en la plataforma OpenMoko. Esta propuesta describe una breve ilustración del

funcionamiento del Software, dejando de lado modelo arquitectónico.

La propuesta presentada en [26] se limita a describir situaciones presentadas en sistemas de

control con sistema embebidos y sus soluciones, aborda distintos problemas y plantea soluciones,

a través de patrones de diseño, tales como patrones orientados a mensajes (publicador/suscriptor),

proxy, blackboard, no se centra en describir ninguna arquitectura, pero si trata en detalle los

patrones para este tipo de sistemas.

En [27] se describe una arquitectura de software para un sistema embebido de BroadCasting

(audio e imágenes), muestra ligeramente el detalle algunas capas arquitectónicas (interface de

usuario, capa de control de procesos del sistema, capa de gestión recursos del sistema). El

planteamiento de la arquitectura se basa en el documento de Garlan y Shaw[22]. A pesar de su

intención de hablar en temas de arquitectura de software, la descripción de la arquitectura y sus

componentes es demasiado general.


Los trabajos antes mencionados se centran en tratar las arquitecturas de software para la IoT

desde una perspectiva general y de alto nivel, describiendo la interactúan entre diversos

componentes, como son hardware, software, comunicaciones, protocolos, estándares. Las

propuestas existentes se enfocan en el uso de la Web como un factor determinante para estas

arquitecturas, dejando de lado la arquitectura que se ejecuta dentro de los micro-controladores de

las tarjetas electrónicas para la IoT tal como se describe en [15],[14],[17],[3] y [28]. Sin embargo

en otros casos [26],[29],[23] y [30] los autores se centran en la utilización de patrones de diseño,

en el ámbito de la ingeniería de software, que dan solución a un problema de la realidad usando

sistemas embebidos.


VII. ARQUITECTURA DE SOFTWARE

Es conveniente definir el concepto Arquitectura de Software debido a que hoy en día el término

de arquitectura se usa para referirse a varios aspectos relacionados con las tecnologías de la

información. De acuerdo al Software Engineering Institute (SEI), la Arquitectura de Software se

refiere a “las estructuras de un sistema, compuestas de elementos con propiedades visibles de

forma externa y las relaciones que existen entre ellos [31].

Una definición reconocida es la de Clements [32]: Es una vista del sistema que incluye los

componentes principales del mismo, la conducta de esos componentes según se la percibe desde

el resto del sistema y las formas en que los componentes interactúan y se coordinan para alcanzar

la misión del sistema.

David Garlan [33] establece que la arquitectura de Software constituye un puente entre el

requerimiento y el código, ocupando el lugar que en los gráficos antiguos se reservaba para el

diseño. La definición “oficial” de arquitectura de software se ha acordado que sea la que brinda el

documento de IEEE Std 1471-2000, adoptada también por Microsoft, que dice así:

La Arquitectura de Software es la organización fundamental de un sistema embebido en sus

componentes, las relaciones entre ellos y el ambiente y los principios que orientan su diseño y

evolución.

A. Importancia de la Arquitectura de Software .

El concepto de arquitectura de software (AS) se refiere a la estructuración del sistema que se crea

en etapas tempranas del desarrollo. Esta estructuración representa un diseño de alto nivel del

sistema que tiene dos propósitos primarios: satisfacer los atributos de calidad (desempeño,

seguridad, modificabilidad) [19], y servir como guía en el desarrollo. El no crear este diseño

desde etapas tempranas del desarrollo puede limitar severamente el que el producto final satisfaga

las necesidades de los clientes. Además, el costo de las correcciones relacionadas con problemas

en la arquitectura es muy elevado. Es así, que la arquitectura de software juega un papel


fundamental dentro del desarrollo. Para lograr esto, es de vital importancia poder contar con un

lenguaje de descripción de arquitectura (ADL) que permite modelar una arquitectura mucho antes

que se lleve a cabo la programación de las aplicaciones que la componen, analizar su adecuación,

determinar sus puntos críticos y eventualmente simular su comportamiento.

B. Definición de Atributos de Calidad.

Los atributos de calidad son la base para la selección de los estilos arquitectónicos, y por

consiguiente también la de una AS exitosa, por eso cuando se inicia con la creación de una AS se

debe realizar un estudio y análisis profundo que permita definir las calidades sistémicas que

necesita la arquitectura [34].

C. Estilos de Arquitectura.

¿Cuántos y cuáles son los estilos?. En un estudio comparativo de los estilos, Mary Shaw [35]

considera los siguientes, mezclando referencias a las mismas entidades a veces en términos de

“arquitecturas”, otras invocando “modelos de diseño”: Arquitecturas orientadas a objeto,

Arquitecturas basadas en estados, Arquitecturas de flujo de datos: Arquitecturas de control de

realimentación, Arquitecturas de tiempo real, Modelo de diseño de descomposición funcional,

Modelo de diseño orientado por eventos, Modelo de diseño de control de procesos, Modelo de

diseño de tabla de decisión, Modelo de diseño de estructura de datos.

El mismo año, Mary Shaw, junto con David Garlan [22], propone una taxonomía diferente, en la

que se entremezclan lo que antes llamaba “arquitecturas” con los “modelos de diseño”: Tubería-

filtros, Organización de abstracción de datos y orientación a objetos, Invocación implícita, basada

en eventos, Sistemas en capas, Repositorios, Intérpretes orientados por tablas, Procesos

distribuidos, ya sea en función de la topología (anillo, estrella) o de los protocolos entre procesos

(p. ej. algoritmo de pulsación o heartbeat). Una forma particular de proceso distribuido es, por

ejemplo, la arquitectura cliente-servidor. Entre otros el autor nombra: Organizaciones programa

principal / subrutina, Arquitecturas de software específicas de dominio, Sistemas de transición de

estado, Sistemas de procesos de control.


D. Frameworks y Vistas.

La mayoría de los frameworks y estrategias reconoce entre tres y seis vistas, que son las que se

incluyen en el cuadro. Una vista es, para definirla sucintamente, un subconjunto resultante de

practicar una selección o abstracción sobre una realidad, desde un punto de vista determinado

[36][37][38].

TABLA IV. FRAMEWORKS DE ARQUITECTURA

Zachman TOGAF 4+1[34] Booch,Rumbaugh[31] POSA Microsoft

Niveles (Arquitecturas) (Vistas) Vistas (Vistas) (Vistas)

Scope Negocio Lógica Diseño Lógica Lógica

Empresa Datos Proceso Proceso Proceso Conceptual

Sistema Lógico Aplicación Física Implementación Física

Física Tecnología

Tecnología

Desarrollo Despliegue

Desarrollo Representación Casos de

Uso Casos de Uso

Funcionamiento

En [29] se proporciona una sistematización de clases de estilo en cinco grupos, que para utilizar

la arquitectura de software se sigue un conjunto de patrones arquitectónicos, entre los cuales

podemos encontrar:

• Cliente-Servidor

• Blackboard.

• Sistemas en capas.

• Intérprete.

• Orientado a servicios.

Un patrón arquitectónico que se adapta con mayor robustez a los sistemas embebidos para IOT es

el Modelo de capas, este patrón permite mayor flexibilidad dado el caso que se le quieran

adicionar componentes en una misma capa o varias capas, sin tener que modificar las

componentes existente. Este es un beneficio importante porque a pesar que es de muy bajo

acoplamiento entre capas y componentes, permite que la arquitectura se pueda utilizar con

independencia del micro-controlador que se esté utilizando, y adicionalmente la permite que el

software sea mantenibilidad.


E. Internet de la Cosas.

El término Internet de las Cosas (Internet of Things o IOT) se refiere a una evolución de lo que

hoy se conoce como Internet para convertirla en una red interconectada de objetos que no solo

recolectan información del ambiente e interactúa con el mundo físico, sino que usa estándares de

Internet para proveer servicios de información[17]. Esto implica, además de tener determinada

infraestructura, servicios y demás, la construcción de estos objetos inteligentes en sistemas

embebidos de forma tal que tengan la conectividad necesaria para construir un ecosistema en

donde todos los artefactos (tanto hardware como software) estén interconectados[13].

IOT se refiere también a la conexión de estos dispositivos a Internet de manera que puedan

conectarse con otros objetos, comunicarse e interactuar de la misma forma que las personas lo

hacen hoy a través de la Web [13]. De hecho, la principal fortaleza del concepto de IOT es el

impacto que tendrá en los aspectos de la vida cotidiana en los potenciales usuarios [3]. Algunas

aplicaciones de IOT son: transporte y logística [3], cuidado de la salud [3], [12], ambientes

inteligentes [3], [12].

La IoT ha traído consigo entre otras cosas el uso integrado de las tecnologías de la información y

las comunicaciones, el desarrollo y acuerdos sobre estandarización, y un nuevo modo de ver a

toda la sociedad interactuando con una infraestructura de comunicaciones Persona-Máquina o

Máquina a Máquina (M2M) que proporcionará una nueva generación de servicios en una Internet

del Futuro con la interconexión de dispositivos de detección inalámbricos en Redes de Sensores

Inalámbricas (WSN Wireless Sensor Network) basadas en IP [28].

F. Dispositivos Inteligentes.

Son computadores de bajos recursos y autónomos que realizan el mismo trabajo infinitamente y

están dotadas de un micro-controlador y dispositivos de entrada y salida. En este contexto, surge

el concepto de dispositivo inteligente que trata de un sistema embebido que puede entender y

reaccionar a lo que está ocurriendo en su alrededor [39] y que no solo se interesa por la

interacción con el usuario sino también de la interacción con otros dispositivos inteligentes o


incluso otro software. Para esto, se necesita que los dispositivos inteligentes: tengan capacidad

de obtener información sobre su entorno a través de la medición y control de sensores y

actuadores, una configuración que se pueda adaptar a cada necesidad como pueden ser cuestiones

de conectividad o seguridad , deben tener un módulo de gestión de seguridad y credenciales,

deben permitir el control automático de tareas de forma tal que se programe el objeto inteligente

para realizar tareas, y puedan comunicarse con otros sistemas como servicios web o servicios en

la nube.

G. Arquitectura de Software IOT.

En [3] y [40] se propone una arquitectura orientada a servicios para un middleware para IOT ya

que según los autores es fundamental abstraer a los desarrolladores de IOT de cierta

infraestructura de IOT. El hecho de haber elegido SOA, explican los autores, es porque la

adopción de este tipo de arquitecturas permite descomponer sistemas complejos y monolíticos en

aplicaciones consistentes de un ecosistema de componentes simples y bien definidos. Esta

arquitectura está compuesta básicamente por cinco capas: Aplicaciones, Composición de

Servicios, Gestión de Servicios, Abstracción de Objetos.

En [12] se propone una arquitectura modular, escalable que soporte agregar o eliminar

funcionalidades dependiendo de los requerimientos. Esta arquitectura de alto nivel está

compuesta por cuatro capas: Espacio físico y/o virtual, Sensor como un servicio, Gestión de

datos, Estadísticas/Análisis de datos.

En [11] se propone un modelo arquitectónico de referencia que provee vistas y perspectivas de

diferentes aspectos arquitectónicos, que son de interés de los participantes en un proyecto IOT.

En su publicación se menciona que la mayor contribución la da el Modelo de Referencia que

provee conceptos y definiciones sobre los cuales se pueden construir arquitecturas IOT. El

modelo de referencia a su vez consiste en tres submodelos:

- Submodelo de Dominio


- Submodelo de Información

- Submodelo de Comunicación

El Submodelo de Dominio, que define los conceptos desde el punto de vista de la información en

IOT. Este Submodelo de Dominio es la base del modelo de referencia y sirve como soporte a la

arquitectura de referencia para que todas las arquitecturas concretas hagan referencia a los

mismos conceptos, introduciendo los principales conceptos como Dispositivos, Servicios IOT,

Entidades Virtuales y la relación entre estos conceptos, como por ejemplo la relación “Los

servicios exponen recursos”.

El Submodelo de Información que en realidad surge a partir del Submodelo de Dominio y explica

cómo se modela la información en IOT a través de una estructura abstracta que contiene

relaciones y atributos, sin entrar en detalles de cómo se va a terminar representando esa

información en los casos concretos.

Por último, el Submodelo de Comunicación establece algunos lineamientos sobre cómo

administrar diversos protocolos de comunicación.

Otro Modelo importante definido en [15] y [16] es el Modelo Funcional. Para explicar el

concepto de Modelo Funcional primero hay que definir dos conceptos:

- Descomposición Funcional que hace referencia al proceso dividir componentes funcionales

- Componentes Funcionales que son los que arman la arquitectura de referencia

El objetivo principal de la descomposición funcional es la de utilizar la estrategia “divide y

vencerás” para disminuir la complejidad de la solución en piezas más pequeñas y comprensibles.

Uno de los resultados que produce la descomposición funcional es el modelo funcional que es

una forma de representación abstracta de los grupos funcionales de componentes que integran la

arquitectura de referencia. En el modelo funcional se encuentran los siguientes grupos

funcionales:


- Gestión de Procesamiento: cubre los requerimientos de negocio respecto la posibilidad de

construir servicios y aplicaciones sobre los servicios de IOT que se ofrecen.

- Seguridad: cubre cuestiones de confiabilidad, seguridad y privacidad.

- Gestión: cubre trasversalmente la interacción entre los demás grupos funcionales.

- Organización de los servicios: actúa como un concentrador entre los demás grupos funcionales.

- Entidad virtual y servicio IOT: incluyen funciones relacionadas con la obtención y el envío de

datos desde y hacia los dispositivos, respectivamente.

En [16] se define un conjunto de componentes que están presentes en la mayoría de los artefactos

software independientemente de los requerimientos que se tengan. La capa de presentación

contiene toda la funcionalidad relacionada con el usuario para administrar la relación sistema-

usuario.

La capa de negocios implementa las funcionalidades centrales del sistema y las encapsula

exponiendo sólo las funcionalidades necesarias para las capas superiores. Por lo general, tiene un

conjunto de interfaces para que el resto de los componentes puedan consumir su información.

La capa de datos provee acceso a: Datos almacenados localmente, Datos expuestos por sistemas

externos dentro de la misma red Además, al igual que la capa de negocios, provee interfaces para

que el resto de los componentes puedan consumir su información. En una vista más detallada de

la arquitectura propuesta en [41] y [42] se presentan los subcomponentes que cada capa posee y

se agregan la capa de servicios y las transversales.

Las capas transversales varían de un escenario a otro y deben ser identificadas para cada caso de

uso. Este grupo de capas por lo general incluye funcionalidades como logging, caching,

validaciones, autenticación y manejo de errores. El hecho de identificar estas funcionalidades

transversales es de extremada importancia dado que fomenta una mejor reusabilidad y

mantenimiento, mientras que al mismo tiempo evita duplicar componentes software. Las capas de


esta vista detallada y sus subcomponentes son: Capa de Presentación (interfaz de usuario y

componente lógicos), Capa de Negocios (Facha de la aplicación y Lógica de negocio), Capa de

acceso a datos y Capa de servicio donde se exponen la comunicación para integración.

H. Nivel Arquitectural Propuesto.

1. Arquitectura de Software.

La arquitectura de software explica la estructura, funcionamiento e interacción de los diferentes

componentes del software y no se centra en algoritmos ni estructuras de datos. Esta arquitectura

muestra el diseño y especificación global del sistema [19].

En este contexto, la arquitectura software que se propone en este trabajo, intenta ser un marco de

referencia que permita a los diferentes componente del hardware interactuar entre sí (según lo

disponga el programador), con el fin de permitir tener una solución de captura, procesamiento y

transferencia de información (envío de datos) enfocada a soluciones IoT.

La arquitectura propuesta utiliza elementos arquitectónicos como patrones de diseño de software

(singlenton, interfaces, builders, factories, froncontroller, composition, aggregation) con el fin de

conseguir una fácil implementación del patrón de arquitectura modelo vista control MVC como

lo referenciado en [41] y [42]. La arquitectura se muestra como un marco de referencia de alto

nivel y no llega a la especificidad detallada de la implementación ni de los patrones

arquitectónicos, como tampoco de los distintos componentes que modelará la arquitectura. La

arquitectura actúa como marco referencia para el desarrollo de aplicaciones embebidas en micro-

controladores y será en tiempo de programación donde se defina a nivel algorítmico la

implementación de la misma.

2. Micro-Controlador.

Los sistemas embebidos trabajan con Micro-controladores que realizan operaciones de entrada,

procesamiento y salida de información [10]. El sistema embebido es el cargado de administrar la


memoria y de interactuar con los periféricos de todos los elementos que componen una tarjeta de

toma de datos que está conectada a la IoT, en este sentido, el software embebido es quien

gobierna el funcionamiento de los elementos de la tarjeta (micro-controladores) [7][43] como se

muestra en la Figura 1.

Figura 1. Harvard Microcontroller Architecture

Desde el fabricante el micro-controlador tiene cargado una capa de software llamada bootloader,

que hace parte del firmware [44], que es el encardo de exponer a los desarrolladores las interfaces

de programación tanto de puertos análogos, digitales, I2C , UART,s entre otros, al igual que el

acceso a la memoria y demás componentes del hardware, para que así desde la capa de

aplicación se pueda interactuar con el micro-controlador. Además, el bootloader es el encargado

de cargar la capa de software desarrollada por el usuario (aplicación) y transferir el control del

micro-controlador a esta, tanto la capa de software bootloader (en otros Micro-controladores

también se conoce como firmware y contiene componentes más robustos como micro sistema

operativos embebidos), como la de aplicación son guardadas en memoria no volátil, permitiendo

que las dos capaz de software nunca se borren, salvo cuando el usuario decida hacerlo o

actualizarlas. La Figura 2 muestra un diagrama, de alto nivel, el cual permite la visualización de

las diferentes capaz que conforman los componentes de software y hardware en una tarjeta de la

IOT.


Figura 2. Diagrama de Componentes de una tarjeta de la IoT.

3. Caracterización de los MicroControladores.

Como se mencionó antes, los sistemas embebidos tienen como principal protagonista el

microcontrolador, la importancia de este y sus características hacen que una solución IoT, tenga

posibilidades múltiples para interactuar con el mundo exterior y el internet. La Tabla 5, presenta

una variedad de clasificaciones dependiendo de distintas características de estos elementos

electrónicos.

TABLA V. CARACTERIZACION DE LOS MICROCONTROLADORES

CLASIFICACIÓN DESCRIPCIÓN

Según Bits

8

Puede Procesar datos de 8 bits a la vez, los ejemplos de Micro-controladores de 8 bits son Intel 8031/8051. Estos se utilizan en el control de posición, las aplicaciones de control de velocidad.

16

Tiene mayor precisión y rendimiento en comparación con el de 8 bits. Estos se han desarrollado para el propósito de aplicaciones de alta velocidad, tales como sistema de control servo, robots etc. Algunos ejemplos de micro-controlador de 16 bits son Intel 8096 y el Motorola MC68HC12 y sus familias.

32

Utiliza las instrucciones de 32 bits para realizar las operaciones aritméticas y lógicas estos se desarrollan con el propósito de uso en aplicaciones de muy alta velocidad en el procesamiento de imágenes, telecomunicaciones, sistema de control inteligente etc. Algunos ejemplos son Intel / 251 Atmel familia, PIC3x , ARM

Según Ubicación

de la Memoria

Embebida en el Micro-

controlador

La Memoria se encuentra en el mismo micro-controlador y en el mismo integrado, el programa y los datos están en la misma memoria. Por ejemplo , el 8051 tiene programa y memoria de datos , puertos I / O , la comunicación en serie , contadores y temporizadores e interrupcines en el mismo chip o integrado.


Memoria Externa al

Micro-controrlador

Tiene el programa en una memoria externa, por ejemplo 8031

Según Instruction

Set

CICS CISC significa Complex Instruction Set Computing , que permite al usuario aplicar 1 instrucción como alternativa a muchas instrucciones simples

RISC RISC Reduced Instruction Set significa Informatics . RISC reduce el tiempo de operación por el acortamiento de la ciclo de reloj por instrucción. El RISC da una mejor ejecución que la CISC.

Según la Arquitectur

a de Memoria

Harvard Memory

Estos Micro-controladores tienen en el mismo espacio de memoria los datos y los programas.

Von Neuman & Princetone

Estos Micro-controladores tienen en el mismo espacio de memoria tanto datos como programas. La memoria externa al micro-controlador en el mismo integrado.

Según el tipo de

Integrado

8051

8051 es un micro-controlador de ocho bits inventado en 1981 por Intel Corporation . Está disponible en 40 pines. Este es el micro-controlador básico pero todavía muchas empresas están fabricando este tipo de micro-controladores. Los tipos más antiguos de 8051 tienen 12 ciclos por instrucción que lo hacen lento mientras que el reciente 8051 tienen 6 instrucciones por ciclo de reloj. El micro-controlador 8051 no tiene memoria integrada ni convertidores A / D y está clasificado como CISC , el 8051 utiliza la arquitectura de Von Neuman.

PIC

Peripheral Interface Controller, es una familia de Micro-controladores de Microchip Technology EE.UU. con la arquitectura Harvard . Originalmente, este fue desarrollado como dispositivo de soporte para PDP (procesador de datos de programa) para apoyar a los dispositivos electrónicos en el control de periféricos. Son clasificados como RISC. Una cosa interesante sobre PIC es que su ciclo de máquina se compone de sólo 4 pulsos de reloj en contraste con 12 pulsos de reloj en Intel 8051. Estos Micro-controladores están siendo usados en aplicaciones como teléfonos inteligentes, accesorios de audio, vídeo y periféricos para juegos y dispositivos médicos avanzados.

ARM

ARM es un Micro-controladores de 32 bits cuyo núcleo está diseñado por ARM Limited con arquitectura RISC . ARM tiene Von Neumann arquitectura (programa y RAM en el mismo espacio) . Los Micro-controladores ARM son muy utilizados para el ahorro de energía y están presentes dispositivos de muy bajo consumo de energía. Se caracteriza por ejecutar muchas instrucciones en 1 solo ciclo de reloj. Son muy utilizados en dispositivos inteligentes o Smart Devices.

AVR

El AVR es de Harvard arquitectura RISC de 8 bits fue desarrollado por Atmel en 1996. El AVR es sinónimo de Alf - Egil Bogen y el procesador RISC de Vegard Wollan . AVR toma sólo un ciclo reloj por instrucción. Se clasifican en TyniAVR, Mega AVR, XMegaAVR

De acuerdo a [45], la tendencia en los Micro-controladores para la tarjetas electrónicas de captura

de datos para la IoT, deberían ser de bajo consumo. Esto debido a que las soluciones que se están

implementando y se visiona implementar estarán en cualquier sitio donde no necesariamente

tendrá alimentación de una fuente de energía como la red eléctrica, sino que serán alimentados

por baterías de plomo-acido, gel-acido, níquel-cadmio, entre otras, y en otros escenarios se usará


energía solar. Debido a este tipo de situaciones los fabricantes están diseñando nuevas

alternativas de micro-controladores que cuenten con esta característica, con el propósito de que

el micro-controlador sea más competitivo en el desarrollo de las tarjetas electrónicas para la IoT.

Por tal motivo, la arquitectura propuesta, provee una restricción importante para la

implementación del software teniendo como argumento lo antes expuesto, una capa de software o

componente de capa debe implementar el manejo de alimentación o en su defecto, tiempos

adormecimiento (sleep times) dependiendo del uso para el cual se está desarrollando la aplicación

embebida.

4. Soluciones IOT.

El término IOT, se refiere a una evolución de lo que hoy se conoce como Internet para convertirla

en una red interconectada de objetos que no solo recolectan información del ambiente e

interactúa con el mundo físico, sino que usa estándares de Internet para proveer servicios de

información [17]. Esto implica, además de tener determinada infraestructura, servicios y demás,

la construcción de “cosas” inteligentes en sistemas embebidos de forma tal que tengan la

conectividad necesaria para construir un ecosistema en donde todos los artefactos (Tanto

hardware como software) estén interconectados [13].

La IoT ha traído consigo entre otras cosas el uso integrado de las tecnologías de la información y

las comunicaciones, el desarrollo y acuerdos sobre estandarización, y un nuevo modo de ver a

toda la sociedad interactuando con una infraestructura de comunicaciones Persona-Máquina o

M2M (Máquina a Máquina) que proporcionará una nueva generación de servicios en una Internet

del Futuro con la interconexión de dispositivos de detección inalámbricos en Redes de Sensores

Inalámbricas (WSN Wireless Sensor Network) basadas en IP [28].

I. Arquitectura de Software Propuesta.

En función del análisis realizado en el capítulo 1 correspondiente a la Descripción del Problema,

se considera de interés citar nuevamente el problema abierto que se aborda en este trabajo de

investigación, recordando que el mismo se focaliza en el diseño de una arquitectura de referencia


de software para objetos inteligentes en IOT. Tal como se mencionó en el capítulo 3 como un

sistema embebido que puede entender y reaccionar a lo que está ocurriendo en su alrededor [39]

y que no solo se interesa por la interacción con el usuario sino también de la interacción con otros

sistemas embebidos o incluso otro software, es decir, contempla la interacción con el mundo

físico y virtual al mismo tiempo. El concepto internet de las cosas implica la construcción de

estos sistemas embebidos de forma tal que tengan la conectividad necesaria para construir un

ecosistema en donde todos los artefactos (Tanto hardware como software) estén interconectados

[13].

La ausencia de una arquitectura con estos fines dificulta el desarrollo de soluciones haciendo que

los existentes terminen siendo “a medida”, lo cual eleva costos y disminuye el grado de

reutilización del software, dado que para cada solución se plantea una nueva arquitectura en vez

de reutilizar componentes arquitectónicos de un problema similar anterior. Esto se debe a que el

diseño arquitectónico de software es un proceso que debe tomar como entrada los requerimientos

del sistema y tener como salida una arquitectura de software que los satisfaga. Por lo general, este

proceso de diseño arquitectónico es iterativo, hasta que se asegura que su estructura es acorde a

los requerimientos. Con la existencia de una arquitectura de referencia, se disminuirán

considerablemente las iteraciones dado que solo se necesita adaptar una arquitectura ya existente

a los requerimientos específicos del problema a resolver. Además las arquitecturas de referencia

sirven como base para producir arquitecturas concretas que resuelven casos particulares [15]. La

arquitectura actúa entonces, como enlace entre la fase de ingeniería de requerimientos y diseño

del software, describiendo la forma en que se organiza el sistema como un conjunto de

componentes relacionados entre sí (Figura 3).

Figura 3. Arquitectura de Referencia en el diseño arquitectónico.

Requerimientos Arquitectura de

Referencia

Arquitectura

Concreta


Para el planteamiento de la arquitectura, se definieron algunos elementos importantes como

punto de partida, estos se describen a continuación.

1. Atributos Arquitectónicos.

La definición de los atributos de calidad que se establecen en la arquitectura de software,

permiten la implementación de los requisitos funcionales / no funcionales, los atributos como

rendimiento, interoperabilidad, usabilidad, conectividad, flexibilidad, mantenibilidad, seguridad y

escalabilidad son abordados en [46] y [19]. De la misma forma estos atributos de calidad

permiten la evaluación de la arquitectura, aplicando alguna métrica para tal fin. La definición de

atributos de calidad tiene como base el ámbito del problema (captura y vigilancia en tiempo real

para variables agro-climáticas), seguidamente los requisitos funcionales y finalmente las

restricciones técnicas. Además de los atributos de calidad, se abordan atributos intrínsecos a la

arquitectura tales como: la mantenibilidad del software [47], atributo que permite la

comunicación del equipo de desarrollo, la rápida evolución del producto y la disminución de los

costos por mantenimiento del mismo, al igual que una mejor documentación del producto final

[21]. Los atributos de calidad para la evaluación la arquitectura propuesta se especifican el

numeral IX-B.

2. Requisitos Funcionales.

La arquitectura planteada en la Figura. 4 permite implementar requisitos funcionales que son

parte de la lógica de negocio en el dominio de la IoT, los requerimientos aquí planteados fueron

definidos de acuerdo a la revisión del estado del arte y de las necesidades encontradas en [48]

[11] [49] :

A. El Sistema deberá capturar datos de sensores conectados a puertos análogos o digitales.

B. El sistema deberá normalizar los datos capturados aplicando algoritmos de normalización

según sea el caso del sensor.

C. El sistema deberá permitir cambiar el estado (ON/OFF) de un actuador conectado a un puerto.


D. El Sistema deberá permitir conectarse al internet haciendo uso de comunicación GSM/GPRS,

Wifi ó Ethernet.

E. El sistema deberá permitir él envió de datos capturados a un sistema remoto utilizando un

protocolo de comunicación definido (HTTP, REST, CoAP, MQTT)

F. El sistema deberá permitir configurarse desde una interface gráfica móvil o html.

G. El sistema deberá permitir ser consultado o monitoreado desde comandos externos haciendo

uso de la interfaz serial ó TX/RX.

3. Estilo Arquitectónico.

La arquitectura propuesta es multicapa, y está basada en el patrón modelo-vista-controlador-

comunicación [19][41], la cual está compuesta por diferentes capas y componentes

arquitectónicos que dan origen a la arquitectura propuesta. La arquitectura permite implementar

capas que interactúan con los distintos componentes del hardware, estas capas son las

abstracciones a nivel de software que representan, tanto la lógica del negocio como los elementos

del hardware tal como se ve en la Figura 4.

4. Patrones de Arquitectura vs Capas.

La Figura 4, permite visualizar las diferentes capas de software donde cada uno de los

componentes estará representados en la arquitectura planteada.

Interface.

La Interface, es la capa que permite la comunicación con el sistema embebido y el mundo

exterior, implementa un Listener (clase abstracta) encargado de identificar las peticiones

entrantes, decodificar las ordenes y entregar la responsabilidad al componente capaz de resolver

la petición (Commands). Esta a su vez implementa componentes dependiendo del origen de las


peticiones, los cuales pueden venir por algún puerto de comunicación para recepción y trasmisión

de datos como el puerto serial o una comunicación por puerto TX/RX usando algún protocolo de

comunicación (el cual se implementa en la capa del sistema que contiene los protocolos de

comunicación).

Figura 4. Capas y Componentes de la arquitectura propuesta.

La sub-capa de comandos (Commands), implementa todas las acciones (peticiones o eventos)

posibles que pueden llevar se a cabo gracias a las solicitudes entrantes, y esta acciones a su vez

interactúan con las capa de rutinas propias de la lógica del dominio o administradores de casos de

uso, tales como captura de datos de temperatura, humedad, ruido, radiación, luminosidad, entre

otros.


Capa de Control.

Controladores de Dominio (Dommain Controllers) ó administradores de casos de uso, gestionan

la lógica de negocio, de sensores, actuadores, rutinas de cliente web para consulta de datos en un

servidor remoto y rutinas cuando el dispositivo se comporte como servidor, en cuyo caso la

aplicación implementará una interface web si es necesario para la interacción directa entre

usuario y dispositivo vía HTTP.

Capa de Modelo.

En la capa del Modelo (Model) se gestiona toda la lógica que interactúa directamente con las

rutinas de bajo nivel expuestas por el firmware del micro-controlador, rutinas que son

implementadas por la capa del sistema (System Abstraction Layer) en un componente de

comunicación (COM) entre el micro-controlador y los puertos de entrada salida.

La Capa del Sistema.

System Abstraction Layer está dividida en sub-capas, que permiten la implementación de rutinas

de bajo nivel o de servicio para que la lógica de negocio pueda ser soportada, para ello el

componente Kernel o capa moderadora se vale de rutinas que permiten la ejecución normal de la

aplicación en el micro-controlador, para ello, debe implementar la rutina inicial de

configuración(setup) y una rutina de ciclo infinito (loop) que se termina ya sea por algún evento

programado en la aplicación o por desconexión de la alimentación de la tarjeta electrónica.

Una sub-capa importante que hace parte del sistema es la que implementa los Protocolos de

Comunicación (COMMUNICATIONS PROTOCOLS), en esta capa se desarrollan las rutinas

que permiten implementar los protocolos de comunicación con el mundo exterior. En este

sentido, es posible, implantar protocolos que se enmascaran en HTTP como REST ó CoAP, o

MQTT.


La sub-capa de Comunicación implementa los medios de comunicación (COMMUNICATIONS

SERVICES) que utilizará la tarjeta para interactuar con el medio exterior (internet) ya sea

para enviar o recibir información, son rutinas de servicio, y dependiendo de cuál se

implemente cada una tendrá su propia configuración.

La sub-capa COM de bajo nivel para la comunicación, implementa la interrogación o envió de

datos a los puertos de comunicación análogos o digitales del micro-controlador, esta

implementación es necesaria para poder interactuar con los sensores, actuadores u otro

dispositivo externo (mundo físico) que se conecte a la tarjeta.

Finalmente, la capa del sistema implementa una sub-capa encargada de la Gestión de los

Almacenamiento (Local Store Service) de datos locales, esto para el caso que la aplicación lo

requiera.

5. Vista General de la Arquitectura.

Capa Lógica.

El objetivo de la arquitectura planteada es contemplar los requerimientos generales (Numeral

VII-I-2 Requisitos funcionales) que deben satisfacer los sistema embebido IOT. En términos

generales, el sistema embebido interactúan directamente con el usuario/sistema remoto pero

también lo hacen con otros tipos de hardware como computadores, dispositivos móviles, es decir,

sistemas externos.

La interacción con el usuario y sistemas externos es claramente distinta, el usuario pretende

entender lo que el dispositivo le comunica en un lenguaje claro, natural y comprensible, mientras

que los sistemas externos necesitan otro tipo de lenguajes como protocolos, estándares y

notaciones, como podrían ser el protocolo HTTP y la notación JSON. Por este motivo, las capas

más altas de la arquitectura son los extremos de la comunicación con el usuario y sistemas

externos.


La capa de Lógica ( Logic Layer ) controla la entrada y salida del hardware con dos principales

objetivos:

1) Abstraer al usuario de la complejidad en términos de electrónica, dado que se trata de un

sistema embebido y

2) Abstraer a las capas inferiores de lo que el usuario ingresa o espera como respuesta en

términos de formatos. Por ejemplo, la capa de presentación se puede encargar del control

de un LCD inteligente, una pantalla táctil como así también botones y otros métodos de

entrada.

La subcapa WEB RUTINES / SERVER RUTINES, por otra parte, sirve a las peticiones externas

que consumen información del sistema embebido directamente a través de servicios, publicados

por el sistema embebido, sin pasar por la capa de presentación. Es posible que el usuario esté del

otro lado del sistema externo, monitorizando o controlando la información que llega, pero esto no

es estrictamente necesario ya que el proceso de medición puede también ser automatizado a

través de sistemas informáticos sin necesidad de hacer uso de una interface gráfica del lado del

sistema embebido que interactúe con el usuario.

6. Capa de Abstracción del Sistema (Hardware).

El objetivo de la capa de abstracción del sistema es exponer la implementación de los elementos

virtuales del hardware (componentes de software) que se comunicarán los recursos reales de

hardware.

La capa de abstracción del sistema es la más importante dentro de la arquitectura dado que de ella

depende la información extraída del contexto del sistema embebido. Para lograr este objetivo, el

recurso virtual debe incluir las librerías o componentes software necesario para interactuar con el

recurso físico asociado y en muchos de los casos dependiendo del hardware de entrada/salida

usado, se depende de lo que el fabricante indique. Esto quiere decir que si, por ejemplo, el

recurso físico es un componente ZigBee, pues el recurso virtual deberá poder dialogar ZigBee

con el recurso físico. Cabe aclarar que estos recursos virtuales obtienen información de entrada


para el objeto inteligente, mientras que los de las capas superiores son para consumir la

información de salida del objeto inteligente.

7. Relación entre los componentes.

En esta sección se describe cómo se relacionan los distintos componentes de la arquitectura de la

sección 3.3.5. Para esto, se hace referencia al modelo 4+1 [40]. Para este trabajo se optó por

omitir la vista de desarrollo y de escenarios, dado que ambos diagramas dependen

exclusivamente de los requerimientos específicos para el sistema embebido, cosa que este trabajo

carece, por ser una arquitectura de referencia. En las secciones 4.3.1 a 4.3.3 se documentan

entonces la vista lógica, vista de procesamiento y vista física, respectivamente.

8. Vista Lógica.

Tal como se mencionó en capítulos anteriores la vista lógica de una arquitectura soporta los

requerimientos funcionales (lo que el sistema debe proveer a los usuarios en términos de

servicios) [40]. Si bien se pueden usar cualquier tipo de diagramas para documentar esta vista, los

más comunes son Diagramas de Clase UML y Diagramas Entidad-Relación. En este trabajo se

optó por diagramas de clase UML. En la figura 5 se puede observar la vista lógica de la

arquitectura de referencia. En las secciones 4.1.1 a 4.1.4 se explican por separado las relaciones

entre los componentes más importantes.


Figura 5. Vista Lógica de la Arquitectura Propuesta.

9. Vista Física.

Esta vista representa cómo se distribuyen los componentes entre los distintos componentes del

sistema. En otras palabras, se ubica cada parte del software en un nodo, de forma tal que se

mapeen software y hardware.

En la figura 6, se muestra un diagrama de despliegue de alto nivel, que describe cómo se ubica al

sistema embebido en un modelo orientado a servicios. En el diagrama se puede observar cómo el

sistema embebido provee servicios a los clientes y, para generar una respuesta a esa petición,

consume los valores que lee del hardware (recursos), los procesa y luego emite una respuesta. La

idea de pensar a los sistemas embebidos como un Gateway, es decir, un intermediario, entre el

consumidor y el recurso permite contemplar que hay recursos como sensores de temperatura, de

luz o de humedad que no tienen la capacidad de integrarse a un ambiente de internet de las cosas.


Figura 6. Modelo Orientado a Servicios de un sistema embebido en la IOT.

La figura 7 muestra la vista física de la arquitectura de referencia y es una versión detallada del

modelo orientado a servicios propuesto en la figura 6. La vista comienza con el usuario

realizando peticiones al sistema embebido a través de actuadores o software externo como

pueden ser sistemas empresariales, aplicaciones web, o bien otros Sistemas Embebidos. Por

ejemplo, en el caso de la biblioteca, la comunicación podría darse entre el sistema de reservas y el

sistema embebido, aunque si un usuario administrador quisiera acceder directamente al sistema

embebido, también podría hacerlo. Luego, dentro del sistema embebido se encuentran aquellos

componentes que resuelven las peticiones generadas por el entorno. Básicamente, a través del

Controlador Frontal (Listener) se delega el trabajo en los componentes de negocio y las

componentes transversales (Se las reemplazó por un solo componente para ahorrar espacio en el

diagrama), y los recursos virtuales ofrecen una interfaz hacia los recursos físicos del sistema

embebido (Como pueden ser sensores de presencia o actuadores para encender una lámpara,

sensores de temperatura, humedad, etc) como así también una interfaz hacia otros recursos

virtuales, que pueden estar alojados en otro sistema embebido. Notar que los recursos físicos del

sistema embebido impactan directamente sobre los objetos del mundo físico real, es decir, objetos

no abstractos que el usuario puede ver y tocar. Por último, el componente de acceso a datos junto

a su repositorio también es incluido dentro del sistema embebido.

Cliente Sistema

Embebido

Hardware

Petición Lectur

Respuesta Respuesta


Figura 7.Vista Física de la Arquitectura de Referencia.


VIII. APLICACIONES

Ejemplo Práctico

Se proponen dos ejemplos prácticos para mostrar cómo se puede utilizar esta arquitectura para

resolver una problemática actual. En la sección 4.1.2 se enuncia el problema correspondiente al

monitoreo de variables de humedad y temperatura para la optimización de riego en cultivos de

cilantro, y en la sección 4.1.3 una solución con base a la arquitectura de referencia propuesta.

El segundo ejemplo práctico se trata en el numeral 5.1. y corresponde al monitoreo de las

variables de temperatura, humedad y nivel de agua para el caso de cosecha de agua de niebla,

para este caso se toma la arquitectura del 1er caso y se hacen ligeros cambios para incluir el

sensor ultrasonido que medirá el nivel de agua que determina la cantidad de agua cosechada.

A. Problema Propuesto en caso de estudio

La vigilancia de la temperatura en la agroindustria es importante para calcular unidades térmicas

de crecimiento de cultivos [50], comúnmente llamadas unidades calor o grados-día, mediante las

cuales es posible medir la influencia de la temperatura en la velocidad de desarrollo de los

cultivos e insectos, y con ello predecir la aparición de etapas fenológicas de cultivos y estadios

biológicos en los insectos. Los registros de temperatura también se usan para calcular horas o

unidades frío requeridas por los frutales caducifolios y algunos insectos durante la etapa de

hibernación, al igual que la temperatura, la humedad también es una variable climática clave para

el pronóstico de enfermedades de cultivos, y se utiliza en combinación con otras variables para

estimar la evapotranspiración.

En la vigilancia y control de las variables de humedad y temperatura en un cultivo de cilantro en

la vereda San José de Pavas, municipio de La Cumbre, Valle del Cauca Colombia, cuyo clima

está definido como cálido tropical, con una altura de 1591 mts sobre el nivel del mar, la

plantación se encuentra en la llanura de Pavas, que a pesar que su cabecera municipal la

temperatura esta entre 19°C y 23°C según lo definido en [51].

Se requiere tomar medidas cautelares en virtud de las altas temperaturas y debido al fenómeno

del niño ( año 2015), el riego sobre el cultivo se debe realizar conforme al comportamientos de


las variables agroclimáticas, esto garantiza una cosecha exitosa; gracias al uso de la medición de

las variables se pude tomar decisiones para aumentar la frecuencia de riego en momentos donde

las temperaturas llegare a superar los 30°C.

Del control de las variables de humedad y temperatura se podrá tomar decisiones importantes

para la optimización de los recursos hídricos y tener una mejor cosecha con reducción en los

costos de producción.

B. Solución Planteada

Para solucionar el problema enunciado, se procedió a adaptar la arquitectura de referencia a la

problemática propuesta. Esta es, una mirada general de la arquitectura concreta (Vista General),

detalle de la arquitectura concreta (Arquitectura Detallada), una vista lógica (Vista Lógica), una

vista de procesamiento (Vista de Procesamiento) y una vista física (Vista Física).

Vista General

La arquitectura concreta se puede observar en la figura 8. La misma comienza con una capa de

sistemas externos que, para este escenario en particular, está compuesta por dos aplicaciones:

Una para smartphones y otra para el consumo remoto de servicios web de una aplicación en la

nube. Esta capa interactúa directamente con la capa de servicios, que es implementada a través de

servicios web. En cuanto a la capa de presentación, del enunciado se extrae que la misma va a

estar encargada de mostrar mensajes sobre un visor LCD. Luego, la capa lógica de negocios se

transforma en este caso en lógica del sistema medición, implementando las funcionalidades

requeridas. La capa acceso a datos se encarga de la lectura y escritura sobre memoria EEPROM y

por último, los recursos virtuales 2:

1. Medidor de Humedad: Que efectúa mediciones sobre el sensor de humedad.

2. Medidor de Temperatura: Que efectúa mediciones sobre el sensor de temperatura.


Figura 8. Vista de la Arquitectura Concreta.

Arquitectura Detallada.

La vista a continuación de la arquitectura parte de la planteada en la sección 4.1.4, aumentando el

nivel de detalle de los componentes (Figura 9).

La capa de presentación muestra sus dos subcomponentes: Display LCD y Lógica de

Presentación. El primero contiene los drivers necesarios para manejar el hardware del Display

LCD, es decir, le envía la información que tiene que mostrar. La lógica de presentación, de forma

complementaria y anterior, pre-procesa la información que se debe mostrar de forma tal que

quede fija y presentable en el display LCD, es decir, se agregan saltos de línea y detalles de

formato.

La capa de Servicios Web, por definición, expone la funcionalidad del sistema hacia la aplicación

web y smartphone. Internamente, está compuesta por dos subcapas: La primera, interfaz del

servicio (Listener), que efectivamente envía y recibe datos hacia y desde el exterior y la segunda,

metadata, que expone información necesaria para que los sistemas externos sepan cómo está

estructurada la capa de servicios y así poder consumirla. En este caso, por ser servicios web, la

interfaz del servicio está basada en protocolo HTTP y la metadata está descrita en un archivo

JSON.


La capa de lógica de negocio nuevamente se divide en varios componentes que dan soporte a las

funcionalidades del sistema. Para este enunciado en particular, no hay variaciones en la cantidad

de capas y todas cumplen las mismas funcionalidades que tienen por definición, al igual que las

capas transversales.

Figura 9. Vista de la Arquitectura detallada.

Vista Lógica.

En esta sección se muestra la vista lógica (Figura 10) de la arquitectura. En las secciones

siguientes se explican por separado las relaciones entre los componentes más importantes.

A. Capa Lógica.

En esta sección se explica la relación entre las capas de interface, control, modelo y las capas de

abstracción del sistema (System Abstraction Layer) (Figura 10).

En este escenario, la capa de interface debe implementar la funcionalidad de mostrar los datos el

visor LCD, para ello se apoya en la clase de publicación de contenido ( publisher content), clase

que es usada por la clase principal de aplicación (Application) que a su vez en llamada por el


controlador de dominio respectivo (DomainController) quien tiene la lógica algorítmica para

enviar a al Visor LCD la información suministrada por los recursos interrogados.

La capa de Control asume la interrogación de los sensores (recursos) implementando una clase

Controladora de Dominio (DomainController) que estará interrogando los sensores de humedad y

temperatura cada instante de tiempo, tiempo que es configurado por parámetros.

La capa de Interface provee una interface (Listener), implementando un controlador frontal

(patrón de diseño) el cual puede escuchar peticiones de sistemas ó usuario externo. En este caso,

es la encargada de resolver el llamado mediante servicios web, por lo tanto la resolución

consistirá en el análisis de parámetros que hayan sido enviados, y los recursos que hayan sido

solicitados, haciendo uso del interpretador de comandos pertinente, en este caso vía TCP (TCP-

UDP CLI MANAGER) ver figura 4. Posteriormente después de la interpretación de la petición

el controlador frontal envía al comando (clase que controla el evento) la información

suministrada por el usuarios externo para que el comando a su vez llame al controlador de

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Arquitectura de Aplicaciones de Software Embebido en ...bibliotecadigital.usb.edu.co/bitstream/10819/5794/3/Ar...Arquitectura de Aplicaciones de Software Embebido en Micro Controladores