Segundo Congreso Nuevas Tecnologías en Ingeniería Eléctrica y Electrónica 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 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 Aplicaciones Médicas Arquitectura Nodo Sensor IEEE 802.15.4 B 1 3 1 1 6 F 1 2 2 0 1 4 Enrutamiento Cobertura A E 1 1 1 9 1 0 1 6 C 9 8 5 7 Localización 4 1 3 8 11 75 1 D2 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 Componentes: • Nodos sensores • Nodos actuadores • Recipiente • Gateway a otras redes • Enlaces • Servidores 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. HITOS EN EL DESARROLLO DE LAS WSN Años Eventos 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. 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. Sensores inalámbricos actuales 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 3DMGX1 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. EVOLUCION TECNOLOGICA Y ALCANCES DE LAS WSN 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 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 LIMITACIONES DE LAS 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. CONSUMO DE POTENCIA 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). DESAFIOS DE LAS WSN 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. ARQUITECTURA DE UNA WSN ARQUITECTURA DE HARDWARE DE UN NODO INALAMBRICO CONCEPTO ARQUITECTONICO MODELO JERARQUICO WSN ELEMENTOS DE UNA 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. ARQUITECTURA DE UN NODO SENSOR ARQUITECTURA DE RED ARQUITECTURA DE CAPAS Estación Base ARQUITECTURA CLUSTER Estación Base Capa 1 Capa 2 Capa 3 Conjunto de Nodos forma un Cluster Heads CARACTERISTICAS TECNICAS DEL TMOTE SKY 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. SISTEMAS OPERATIVOS PARA MOTAS • 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. LENGUAJES DE PROGRAMACION 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. ARQUITECTURA PROTOCOLAR DE UNA WSN PROTOCOLOS WSN Los protocolos WSN comprenden las capas: Física Enlace de Datos Red Las aplicaciones de los usuarios se forman sobre la capa de red. Aplicaciones Protocolos WSN CRITERIOS PARA SELECCIONAR UN PROTOCOLO MAC 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. TIPOS DE TECNOLOGIAS Y NORMA IEEE 802.14.5 TECNOLOGIAS ESTANDARES COMPARACION DE LOS ESTANDARES INALAMBRICOS CRONOLOGIA ZIGBEE 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. CONCEPTO DEL 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. 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. 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. 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. 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. DESVENTAJAS • 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. 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 Tiempo Real Deterministica Redundante CONFIABLE Encapsulado con varios grados de protección. Amplio rango de Tº ROBUSTA Estabilidad Mecánica Fácil Instlación y Administ. Monitoreada por el enlace de Radio Tecnología de Radio Ultima Generación Autenticación Encriptamiento SEGURA 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!