A conceptual model for query processing in wireless sensors : An application to the agriculture

Abstract

Background: The Agri-food sector, along with other application domains, obtain high benefits from the monitoring capacity of Wireless Sensor Networks (WSN). This kind of applications should supply the users’ needs while integrated with different information systems. Such requirements could be seamlessly achieved in a model-driven approach through a complete and effective conceptual design phase. Current model-driven approaches allow to model WSN applications considering different communication and processing configurations. However, to the best of our knowledge, they do not allow for a complete and clear description of the node’s data and the aggregation operations applied to them.

Aims: The main aim of this thesis is to define a conceptual model for processing aggregation queries inside individual wireless sensor nodes of agriculture-oriented WSN. Modelling WSN data behaviour is relevant since it would allow to evaluate the capacity of an application for supplying the end-user needs, increase the cooperation capacity between the system’s designers, engineers, scientists and users, and define a transparent integration with different data-centric information systems.

Methods: To achieve this aim, this thesis was divided in four steps. In the first place, a systematic mapping with review allowed to describe the problem domain for an agricultural application. In the second place, a systematic literature review allowed to characterize the main wireless sensors used in agriculture. In the third place, a conceptual modelling process allowed to define an abstract representation of the wireless sensors’ data behaviour in UML, including the description of the data gathering, aggregation and delivering operations. Finally, in the fourth place, a thorough validation process with academics, case studies and CASE-Tool testing allowed to prove the feasibility of the proposed model.

Antecedentes: En varios dominios, como en el sector agrícola y alimentario, las capacidades de monitorización de las redes de sensores inalámbricas (WSN, del inglés Wireless Sensor Networks) se pueden aprovechar de muchas maneras. Este tipo de aplicaciones debe poder conectarse a diversos sistemas de información para lograr suplir las necesidades de los usuarios finales. Una aproximación orientada por modelos permitiría cumplir fácilmente este objetivo a través de una fase de diseño exhaustiva, completa y efectiva. Las aproximaciones existentes permiten modelar las aplicaciones de WSN considerando distintas configuraciones en comunicación y computación; sin embargo, éstas no ofrecen mecanismos que permitan hacer una descripción clara y completa de los datos monitorizados y las operaciones de agregación que se les aplica a los mismos. Objetivos: El objetivo principal de esta tesis es la definición de un modelo conceptual del procesamiento de consultas de agregación en nodos sensores inalámbricos individuales de WSN orientadas a la agricultura. El modelado del comportamiento de los datos en WSN es importante ya que permitiría evaluar la capacidad de una aplicación para suplir las necesidades de los usuarios finales, incrementaría la capacidad de cooperación entre los diseñadores, ingenieros, científicos y usuarios de la WSN, y ayudaría a la definición de mecanismos centrados en datos para la integración transparente de distintos sistemas de información.

Métodos: Para alcanzar este objetivo, esta tesis se dividió en cuatro fases: En primer lugar, un mapeo sistemático con revisión permitió describir las principales características, retos y limitantes de la implementación de WSN para aplicaciones agrícolas. En segundo lugar, una revisión sistemática de la literatura permitió caracterizar los sensores inalámbricos que más se utilizan para la agricultura. En tercer lugar, un proceso de abstracción y modelado conceptual permitió la definición de una representación formal en UML del comportamiento de los datos en los sensores inalámbricos, incluyendo las operaciones de obtención, agregación y envío de datos. Finalmente, un triple proceso de validación en distintos ámbitos académicos, con estudios de caso, y con pruebas a través de una herramienta CASE permitió probar la factibilidad del modelo propuesto