VISION ACTUAL Y FUTURA DE LAS REDES

DE SENSORES INALAMBRICOS Y SUS

APLICACIONES

Dr.-Ing. Héctor Kaschel C.

Rama Estudiantil IEEE PUCV

Universidad Universidad Católica de Valparaíso

13 – 14 octubre 2009

Segundo Congreso

Nuevas Tecnologías en Ingeniería Eléctrica

y Electrónica

AGENDA

Introducción

Limitantes y desafíos de una WSN

Arquitectura de una WSN

Arquitectura protocolar de una WSN

Tipos de tecnologías y norma IEEE 802.14.5

Proyeccion y Aplicaciones de una WSN

INTRODUCCION

INTRODUCCION

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A

B

C

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EF

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2

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Aplicaciones Médicas Arquitectura Nodo Sensor IEEE 802.15.4

Enrutamiento Cobertura Localización

CONCEPTO DE UNA WSN

• Una Red de Sensores Inalámbricos (WSN: Wireless Sensor Network) es un

conjunto de elementos autónomos (nodos) interconectados de manera

inalámbrica, que colaboran con el objetivo de resolver una tarea en común.

• Las WSN están conformadas por un grupo de sensores con ciertas

capacidades sensitivas y de comunicación inalámbrica los cuales permiten

formar redes ad-hoc sin infraestructura física preestablecida ni

administración central.

• Se caracterizan por su facilidad de despliegue y por ser autoconfigurables,

pudiendo convertirse en todo momento en emisor, receptor, ofrecer servicios

de encaminamiento entre nodos sin visión directa, así como registrar datos

referentes a los sensores locales de cada nodo.

CONCEPTO DE WSN

• Se pueden usar como herramientas para percibir información en entornos

reales y tomar decisiones.

• Nodos inalámbricos dotados de sensores que forman una red dinámicamente

para la transmisión de información.

o Factor de forma reducido.

o Fácil despliegue: sin cables. Ideales para sensar activos móviles.

o Adaptiva: La red se reconfigura de manera dinámica sin necesidad

de intervención humana.

o Alta eficiencia energética: Las baterías pueden durar meses.

o Permiten crear productos sensibles al contexto.

CONCEPTO DE UNA WSN

Fuente : Marko Pavoola. “WIRELESS TECHNOLOGIES IN PROCESS AUTOMATION - REVIEW AND AN APPLICATION EXAMPLE” Dic-2007

Una red de sensores inalámbricos, es un arreglo de sensores interconectados que pueden:

• Monitorear espacios

• Monitorear cosas

• Monitorear interacciones entre cosas y con su medio ambiente.

Componentes:

• Nodos sensores

• Nodos actuadores

• Recipiente

• Gateway a otras redes

• Enlaces

• Servidores

HITOS EN EL DESARROLLO

DE LAS WSN

1980’s Sensores distribuidos conectados mediante cables.

1993 Proyecto LWIN en la UCLA (University California Los Angeles).

1999 – 2003 Proyecto DARPA(Defense Advanced Research Project Agency)-SensIT.

(UCBerkeley, University Southern California, University Cornell)[48]

2001 Laboratorio de investigación de Intel se enfoca a las WSN.

2002 NSF (National Science Foundation) funda el Center for Embedded Networked

Sensing.

2001-2002 Emerge la industria de las WSN; comienza con compañías tales como Sensoria,

Crossbow, Ember Corp, SensiCast. Luego se instalan Intel, Bosch, Motorola,

General Electric, Samsung.

2003-2004 Norma IEEE802.15.4. ZigBee Alliance.

2005-2006 Establecimiento del modelo TELOS (Universidad de California Berkeley&Moteiv

Corp) de sensor, que implementa totalmente el concepto de software empotrado.

Años Eventos

SUSTENTO TEORICO DE LAS WSN

El estado del arte de las Redes Industriales de

Sensores Inalámbricos muestra:

• Miniaturización de componentes: Permite obtener

sensores de tamaño muy pequeño, liviano y de muy

bajo consumo de energía.

• Inicialmente, las redes de sensores inalámbricos,

consideraban sensores tradicionales acoplados a

nodos inalámbricos, típicamente IEEE802.11 y

últimamente, IEEE802.15.4.

• Reemplazar a las redes de sensores/actuadores

alámbricas, en aplicaciones de corto alcance, como

aviónica y autotrónica.

Researchers at the Georgia Institute of

Technology have developed a miniature

sensor that uses polymer membranes

deposited on a tiny silicon disk to

measure pollutants present in aqueous or

gaseous environments. An array of these

sensors with different surface coatings

could be used during field-testing to

rapidly detect many different chemicals.

Si quiere leer más click AQUÍ.

MicroStrain has introduced its new 3DMGX1 microsensor, which

combines the outputs from three angular-rate gyros with three

orthogonal dc accelerometers and three orthogonal magnetometers.

Its embedded microprocessor contains a programmable,

complementary filtering algorithm, which blends the static and

dynamic outputs of the sensors to provide stabilized pitch, roll, and

yaw measurements under dynamic and static conditions. The 3DM-

GX1 operates over the full 360° of angular motion in all three axes

and provides orientation in matrix, quaternion, and Euler angle

formats. Typical applications include platform stabilization, robotics,

dynamic antenna pointing, and biomedical research.Sensores inalámbricos actuales

Antecedentes importantes

En 2003 la Comunidad Industrial Inalámbrica IWC y la Oficina para la

Renovación y Uso Eficiente de la Energía, del Departamento de Energía de

USA, emitieron un informe conjunto denominado “Industrial Wireless

Technology for the 21st century “ donde se indican los nuevos paradigmas

industriales para este siglo:

• Mejora continua en la calidad del producto.

• Costos de capital minimizados.

• Vida útil del equipamiento extendida.

• Operaciones en líneas de producción del tipo ráfagas.

• Menores costos de operación.

• Disponibilidad de equipos en continuo crecimiento.

EVOLUCION TECNOLOGICA Y ALCANCES

DE LAS WSN

EVOLUCION TECNOLOGICA Y ALCANCES

DE LAS WSN

Antecedentes importantes

En el informe citado, se señala una serie de inconvenientes que actualmente

aquejan a las instalaciones de redes cableadas. Entre ellas se citan:

• Altos costos de instalación.

• Altos costos de mantenimiento.

• Aumentos constante de los costos.

• Alta tasa de falla en conectores.

• Dificultad para detectar los problemas en conectores.

Por lo que proponen que se adopte como plataforma de comunicación a las redes

inalámbricas porque inducen:

• Bajos costos de instalación y mantenimiento..

• Facilidad en el reemplazo y mejoramiento.

• Tasa de fallas muy baja en las interfaces físicas.

• Disponibilidad amplia y absoluta en sistemas micro-electrónico-mecánicos.

• Encargo rápido (rápida implementación sobre un pedido de un nuevo dispositivo)

EVOLUCION TECNOLOGICA Y ALCANCES

DE LAS WSN

Antecedentes importantes

El análisis de la WINA aporta datos importantes que se dan a conocer en los

siguientes gráficos

North American Market for Wireless products used in Applications where transmission

distances are 1 mile or less:

2002 Total: $107 million

2006 Forecast: $713 million

2010 Estimates: $ 2.1 billion

CARACTERISTICAS DE UNA WSN

• Tamaño reducido.

• Baja potencia.

• Baja velocidad de transmisión.

• Alta densidad.

• Bajo costo.

• Autónomo.

• Adaptivo.

LIMITANTES Y DESAFIOS

DE UNA WSN

Recursos muy limitados

• Memoria limitada y espacio de almacenamiento.

• Limitación de Potencia.

Comunicación no confiable

• Transferencia no confiable.

• Conflictos.

• Latencia.

Operación no atenta

• Expuesta a ataques físicos.

• Administración remota.

• Punto de gestión no centralizado.

LIMITACIONES DE LAS WSN

Los nodos sensores tienen una fuente limitada de potencia.

El tiempo de vida del sensor depende del tiempo de vida de la batería.

Los sensores pueden generar o direccionar los datos.

La máxima energía consumida en un sensor se produce en la comunicación

de datos (Tx/Rx).

CONSUMO DE POTENCIA

CONSERVACIÓN DE ENERGÍA: Debido al tamaño reducido de los nodos el ahorro

de consumo de energía es vital en este tipo de redes, ya que es casi imposible la

recarga y se pretende lograr su máxima eficiencia.

COMUNICACIONES DE BAJA CALIDAD: Se pretende aplicar sensores en

ambientes cuyas condiciones climáticas son extremas, por lo que la calidad de la

radiocomunicación puede ser muy pobre, dificultando así la detección.

OPERACIÓN EN AMBIENTES HOSTILES: Se deben establecer protocolos que

sean fuertes ante posibles fallas de los sensores, debido a que los ámbitos de

acción serás ambientes hostiles que requieren nodos físicos diseñados con mucho

cuidado.

PROCESAMIENTO OBLIGADO DE LOS RECURSOS: Los recursos disponibles

son aún más críticos en este tipo de redes que en las redes ad hoc, por lo que los

protocolos a desarrollar deberían conseguir una Calidad del Servicio lo más alta

posible.

DESAFIOS DE LAS WSN

PROCESAMIENTO DE DATOS: Se crea un mecanismo de agregación en la

cual la información captada por el sensor es agregada a los datos de nodos que

se encuentran cerca, el problema está en que dichos niveles de agregación y

compresión de la información deberían permitir al usuario obtener la cantidad de

datos requerida.

ESCALABILIDAD: Se debe considerar protocolos en los cuales una red pueda

extenderse al uso de múltiples nodos.

CARENCIA DE FÁCILES APLICACIONES COMERCIALES: Muchas

compañías han desarrollado sensores para el mercado, pero se les hace muy

complicado desarrollar redes de sensores de propósitos especiales, ya que los

campos de mercado son específicos y limitan a los posibles clientes, lo cual no

sería un beneficio para la empresa.

DESAFIOS DE LAS WSN

ARQUITECTURA DE UNA WSN

ARQUITECTURA DE HARDWARE DE

UN NODO INALAMBRICO

CONCEPTO ARQUITECTONICO

MODELO JERARQUICO WSN

• SENSORES:

Toman del medio la

información y la convierten

en señales eléctricas.

• NODOS (Motas)

Toman los datos del

sensor a y envían la

información a la estación

base.

• GATEWAY:

Elementos para la

interconexión entre la red

de sensores y una red de

datos (TCP/IP).

• ESTACIÓN BASE:

Recolector de datos

basado en un ordenador

común o sistema

embebido.

ELEMENTOS DE UNA WSN

ARQUITECTURA DE UN NODO SENSOR

Capa 1

Capa 2

Capa 3

ARQUITECTURA DE

CAPAS

Estación

Base

ARQUITECTURA DE RED

Estación

Base

Conjunto de Nodos forma un Cluster Heads

ARQUITECTURA CLUSTER

Transmisor Chipcon inalámbrico de 250Kbps 2.4GHz IEEE 802.15.4

Interactúa con otros dispositivos IEEE 802.15.4

Microcontrolador MSP430 Texas Instruments de 8MHz (10Kb de

RAM y 48 Kb de Flash)

ADC, DAC, supervisor de voltaje y controladora DMA integrada

Antena, sensores de humedad, temperatura y luz

Muy bajo consumo

Rápido en despertar del sueño (<6 μs)

Hardware para encriptación y autenticación de la capa de enlace

Programación y recogida de datos por USB

16 pines para soportar una expansión y conector de antena opcional

SMA

Ayuda de TinyOS: enrutamiento de malla e implementación de las

Comunicaciones.

CARACTERISTICAS TECNICAS DEL

TMOTE SKY

• Bertha (Pushpin Computing Platform): Diseñada e implementada para modelar,

testear y desplegar una red de sensores distribuida de muchos nodos idénticos.

Sus principales funciones se dividen en los siguientes subsistemas:

• Administración de procesos.

• Manejo las estructuras de datos.

• Organización de los vecinos.

• Interfaz de Red.

Nut/OS: Es un pequeño sistema operativo para aplicaciones en tiempo real, que

trabaja con CPUs de 8 bits. Tiene las siguientes funciones:

• Multipunto

• Mecanismos de sincronización

• Administración de memoria dinámica

• Temporizadores asíncronos

• Puertos serie de Entrada/Salida

• Está diseñado para procesadores con los siguientes recursos:

0.5 kBytes RAM, 8 kBytes ROM y una velocidad de 1 MIPS CPU.

SISTEMAS OPERATIVOS PARA MOTAS

CONTIKI: Es un Sistema Operativo de libre distribución para usar en un limitado

tipo de computadoras, desde los 8 bits a sistemas embebidos en

microcontroladores, incluidas motas de redes inalámbricas.

CORMOS: Es un sistema operativo para comunicaciones de tiempo real aplicado

específicamente para redes de sensores inalámbricas.

ECOS (Embedded Configurable Operating System) : Es un sistema operativo

gratuito, en tiempo real, diseñado para aplicaciones y sistemas embebidos que

sólo necesitan un proceso. Se pueden configurar muchas opciones y puede ser

personalizado para cumplir cualquier requisito, ofreciendo la mejor ejecución en

tiempo real y minimizando las necesidades de hardware.

EYESOS: Se define como un entorno para escritorio basado en Web, permite

monitorizar y acceder a un sistema remoto mediante un sencillo buscador.

SISTEMAS OPERATIVOS PARA MOTAS

MagnetOS: Sistema operativo distribuido para redes de sensores o adhoc, cuyo

objetivo es ejecutar aplicaciones de red que requieran bajo consumo de energía,

adaptativas y fáciles de implementar.

MANTIS (MultimodAl NeTworks In-situ Sensors).

TinyOS: Sistema Operativo utilizado para TMote Sky, se hablará de él en la

próxima sección.

t-Kernel: Sistema operativo que acepta las aplicaciones como imágenesde

ejecutables en instrucciones básicas. Por ello, no importará si está escrito en C++

o lenguaje ensamblador.

LiteOS: Sistema operativo desarrollado en principio para calculadoras, pero que

ha sido también utilizado para redes de sensores.

SISTEMAS OPERATIVOS PARA MOTAS

NesC: lenguaje de programación usado en las WSN, y en particular con TinyOS.

Protothreads: Específicamente diseñado para la programación concurrente.

SNACK: Facilita el diseño de componentes para redes de sensores inalámbricas,

sobre todo cuando la información o cálculo a manejar es muy voluminoso. Su

programación es más fácil y eficiente. Es un buen sustituto de nesC para crear

librerías de alto nivel a combinar con las aplicaciones más eficientes.

DCL (Distributed Compositional Language): Lenguaje de composición distribuido.

GalsC: Diseñado para ser usado en TinyGALS. Es un lenguaje programado

mediante el modelo orientado a tarea, fácil de depurar, permite concurrencia y es

compatible con los módulos nesc de TinyOS.

SQTL (Sensor Query and Tasking Language): Es una interesante herramienta

para realizar consultas sobre redes de motas.

LENGUAJES DE PROGRAMACION

ARQUITECTURA PROTOCOLAR

DE UNA WSN

Los protocolos WSN comprenden

las capas:

Física

Enlace de Datos

Red

Las aplicaciones de los usuarios

se forman sobre la capa de red. Protocolos WSN

Aplicaciones

PROTOCOLOS WSN

Escalabilidad: Las redes de sensores son por definición dinámicas, y el

agregar nodos es totalmente normal. Por tanto, debe estar preparado para

trabajar con diferentes números de nodos.

Predecir los tiempos de retrasos: Los protocolos deben contener un

mecanismo que evite tener que preocuparse del correcto funcionamiento en

función de la disposición de los nodos, proximidad, calidad del canal, entre

otros.

Adaptabilidad a los cambios mencionados anteriormente.

Eficientes a la hora de gestionar la energía, como principal desafío de las

redes de sensores, la cantidad de energía utilizada en el envío, recepción de

paquetes en las redes inalámbricas es esencial, ya que a menor energía

utilizada mayor tiempo de vida para la red.

Fiables, evitando los bloqueos, la pérdida de paquetes, la desaparición de

nodos y respondiendo a interferencias o ataques externos a la red.

CRITERIOS PARA SELECCIONAR

UN PROTOCOLO MAC

TIPOS DE TECNOLOGIAS Y

NORMA IEEE 802.14.5

TECNOLOGIAS ESTANDARES

COMPARACION DE LOS ESTANDARES

INALAMBRICOS

1998: Las redes de la familia de ZigBee se conciben, al tiempo que se hizo claro

que Wi-Fi y Bluetooth no serían soluciones válidas para todos los contextos.

En concreto, se observó una necesidad de redes ad hoc inalámbricas.

2003: El estándar IEEE 802.15.4 se aprueba en mayo.

2003: En el verano, Philips Semiconductors puso fin a su inversión en redes de

mallas. Philips Lighting ha perpetuado la participación de Philips, que sigue

siendo un miembro prominente de la ZigBee Alliance.

2004: ZigBee Alliance anunció en octubre una duplicación en su número de

miembros en el último año a más de 100 compañías en 22 países. En abril

de 2005 había más de 150 miembros corporativos, y más de 200 en

diciembre del mismo año.

2004: Se aprueba la especificación Zigbee el 14 de diciembre.

CRONOLOGIA

ZIGBEE

2005: ZigBee 2004 se puso a disposición del público sin fines comerciales el 13 de

junio en San Ramón, California.

2006: “El precio de mercado de un transceptor compatible con ZigBee se acerca al

dólar y el precio de un conjunto de radio, procesador y memoria ronda los tres

dólares”

2006: En diciembre se publicó la actual revisión de la especificación.

2007: En Noviembre se publicó el perfil HOME AUTOMATION de la especificación.

CRONOLOGIA

ZIGBEE

ZigBee es el nombre de la especificación de un conjunto de protocolos de

alto nivel de comunicación inalámbrica para su utilización con radios digitales

de bajo consumo, basada en el estándar IEEE 802.15.4 de redes

inalámbricas de área personal (Wireless Personal Area Network, WPAN). Su

objetivo son las aplicaciones para redes Wireless que requieran

comunicaciones seguras y fiables con baja tasa de envío de datos y

maximización de la vida útil de sus baterías.

CONCEPTO DEL ZIGBEE

ESTANDAR IEEE 802.15.4

IEEE 802.15.4 es un estándar que define el nivel físico y el control de acceso al

medio de redes inalámbricas de área personal con tasas bajas de transmisión

de datos (Low-Rate Wireless Personal Area Network, LR-WPAN). La actual

revisión del estándar se aprobó en 2006. El grupo de trabajo IEEE 802.15 es el

responsable de su desarrollo.

También es la base sobre la que se define la especificación de ZigBee, cuyo

propósito es ofrecer una solución completa para este tipo de redes

construyendo los niveles superiores de la pila de protocolos que el estándar no

cubre.

CARACTERISTICAS DE LA NORMA

IEEE802.14.5

ZIGBEE

• De corto alcance.

• Bajo consumo de potencia de baterías.

• Optimo para redes de baja velocidad de transferencia de datos.

Opera en dos bandas:

• 2.4 GHz con velocidad máxima de transferencia de 250 Kpbs

• 868-928 Mhz para velocidad de datos entre 20 y 40 Kbps.

• Basado en DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)

CARACTERISTICAS

• ZigBee, también conocido como "HomeRF Lite", es una tecnología inalámbrica

con velocidades comprendidas entre 20 kB/s y 250 kB/s.

• Los rangos de alcance son de 10 m a 75 m.

• Puede usar las bandas libres ISM (6) de 2,4 GHz (Mundial), 868 MHz (Europa) y

915 MHz (EEUU).

• Una red ZigBee puede estar formada por hasta 255 nodos los cuales tienen la

mayor parte del tiempo el transceiver ZigBee dormido con objeto de consumir

menos que otras tecnologías inalámbricas.

• Un sensor equipado con un transceiver ZigBee pueda ser alimentado con dos

pilas AA durante al menos 6 meses y hasta 2 años.

• La fabricación de un transmisor ZigBee consta de menos circuitos analógicos de

los que se necesitan habitualmente.

Características principales:

• Velocidad de transmisión de 250 Kb/s, 40 Kb/s, y 20 Kb/s

• Opera en estrella o punto a punto (peer-to-peer)

• Soporta dispositivos de baja latencia.

• Canal de acceso CSMA-CA .

• Consumo de baja potencia.

NORMA IEEE 802.15.4

Es un estándar para redes domiciliarias, control industrial y automatización de

edificios. Define las especificaciones para la capa física (PHY) y la subcapa

MAC. Soporta dispositivos simples que consumen baja potencia y opera dentro

de un área geográfica de 10 metros.

VENTAJAS

• Ideal para conexiones punto a punto y punto a multipunto.

• Diseñado para el direccionamiento de información y el refrescamiento de la red.

• Opera en la banda libre de ISM 2.4 Ghz para conexiones inalámbricas.

• Óptimo para redes de baja tasa de transferencia de datos.

• Alojamiento de 16 bits a 64 bits de dirección extendida.

• Reduce tiempos de espera en el envío y recepción de paquetes.

• Detección de Energía (ED).

VENTAJAS

• Baja ciclo de trabajo: Proporciona larga duración de la batería.

• Soporte para múltiples topologías de red: Estática, dinámica, estrella y malla.

• Hasta 65.000 nodos en una red.

• 128-bit AES de cifrado - Provee conexiones seguras entre dispositivos.

• Son más baratos y de construcción más sencilla.

• La tasa de transferencia es muy baja.

• Solo manipula textos pequeños comparados con otras tecnologías.

• Zigbee trabaja de manera que no puede ser compatible con bluetooth en todos

sus aspectos porque no llegan a tener las mismas tasas de transferencia, ni la

misma capacidad de soporte para nodos.

• Tiene menor cobertura porque pertenece a redes inalámbricas de tipo WPAN.

DESVENTAJAS

NORMA IEEE 802.15.4

BANDAS DE FRECUENCIA

DE OPERACION

ASIGNACION DE LOS CANALES

IEEE 802.15.4

PROYECCION Y APLICACIONES

DE UNA WSN

TENDENCIA DE LAS WSN

CONFIABLE

ROBUSTA SEGURA

Tiempo Real

Deterministica

Redundante

Monitoreada

por el enlace

de Radio

Tecnología de

Radio Ultima

GeneraciónEncapsulado con

varios grados de

protección.

Amplio rango de Tº

Estabilidad

Mecánica

Fácil Instlación

y Administ.

Autenticación

Encriptamiento

Autorización

Normalización

APLICACIONES

AREAS DE APLICACION DE LAS WSN

PROYECCION DEL DESARROLLO DE

LAS REDES DE SENSORES

INALAMBRICOS

APLICACIONES

• Domótica e inmótica:

o Obtención de medidas de consumo de agua, electricidad,

entre otros para su optimización.

o Alarmas y seguridad.

o Creación entornos que se adaptan dinámicamente a las

actividades de los usuarios.

• Monitorización industrial:

o Nodos WSN en edificios, infraestructura, e quipamiento,

invernaderos, entre otros.

o Por motivos de seguridad, prevención de riesgos laborales,

o eficiencia en el uso de recursos.

o Permite obtener información del uso/comportamiento de los

activos para optimizar su costo y ciclo de vida.

• Salud:

o Health@Home: Monitorización de pacientes en el hogar

mediante elementos vestibles no intrusivos.

o Supervisión de ancianos, personas con necesidades

especiales, entre otros.

INTEGRACION DE UNA WSN

WSN EN LA AGRICULTURA

CASA INTELIGENTE

VIÑAS

MEDICINA

WIRELESS BODY AREA NETWORK

IEEE 802.15.4.1

TELEMEDICINA

OCEANOGRAFIA

SUPERVISION Y MONITOREO

OTRAS APLICACIONES

¡MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCION!