Redes de sensores inalámbricas

WIRELESS
SENSOR
NETWORKS
Redes de sensores
inalámbricas
Alfonso Calvo Montes
Ismael Nistal González
1. Introducción
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Definición:
- Es una red:
Asociación de nodos que presenta una
configuración ad hoc.
- Es inalámbrica: No hay medio físico que se encargue del trasvase
de la información.
- Es de sensores: Pequeños sensores con funcionalidad concreta y
preestablecida. Recogen datos tales como la
temperatura, movimiento, colores…
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Características principales:
- Son nodos autoconfigurables.
- Bajo consumo de energía.
- “Smart dust”: nodos pequeños, eficientes, casi indetectables,
baratos, numerosos y gran capacidad informativa hacia sus iguales
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Nacimiento: Los inicios de las Wireless Sensor Networks (wsn) fueron
de la mano de la DARPA, la agencia militar de
investigación avanzada de los E.E.U.U.
2. Áreas de actuación
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Vigilancia y seguridad: Capaces de detectar movimiento, sonido, temperatura,
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Investigaciones medioambientales: Permiten un estudio detallado y
‹
Control de calidad en la industria: Detección y corrección de fallos puntuales
‹
Automoción: Accionar limpiaparabrisas si ha empezado a llover, reducción de la
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Medicina: Sensores capaces de indicar las variaciones en el organismo del paciente
y , en definitiva, cualquier característica que sea necesaria controlar para mejorar la
seguridad (cámaras acorazadas de bancos, bases militares…).
objetivo tanto de animales como de parajes o ecosistemas: detectar alarmas
ecológicas, perseguir a cazadores furtivos, pirómanos...
y diminutos con gran facilidad: piezas más largas de lo normal, transmisiones que no
llegan al receptor…
velocidad si hay un automóvil delante…
y actuar de una manera rápida y eficiente.
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Domótica: Alcanzar el concepto de “casa inteligente”. Información sobre la
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Aplicaciones Militares: Sensores en un determinado paraje con el fin de
temperatura, luminosidad para accionar ciertos electrodomésticos
detectar movimientos del enemigo, detección de misiles en aviones…
3. Conceptos básicos de las wsn
3.1 Estructura de las redes de sensores
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Sensores: Convierte la información que observa en señales eléctricas.
Nodos: Físicamente son los sensores, pero envían estas señales
eléctricas a la estación base.
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Gateaway: Interconexión entre una red de sensores y una de datos.
Estación base: Recolector de datos.
3.2 Estado de los nodos de una red de
sensores
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Sleep (durmiendo): Estado en el que el nodo pasa la mayor parte
del tiempo para ahorrar energía.
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Wake Up (despertando): Estado de transición entre el sleep y
active.
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Active (activo): Momento de transmisión de la información.
Nota: Se trata de buscar
transiciones entre estados lo
más rápido posibles para
alcanzar sleep cuanto antes y
conseguir así, el bajo consumo
energético.
3.3 Características de las redes de sensores
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Topología dinámica: Facilidades para cambiar su forma.
Î
Variabilidad del canal: Canal radio por el que se transmiten los
Î
Tolerancia a errores: Inmunidad frente a caídas en nodos.
Î
Ausencia de infraestructura de red: Los nodos actúan de
datos puede estar expuesto a frecuentes variaciones que perjudiquen la
comunicación.
transmisores, receptores o enrutadores. No necesitan periféricos para
realizar estas funciones.
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Comunicaciones multisalto o broadcast.
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Bajo consumo.
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Limitación en el hardware: Hay que tener en cuenta el lugar del
emplazamiento de los nodos para el desarrollo de su soporte físico.
3.4 Estimación de las distancias en las redes
de sensores inalámbricas
Permite determinar cuál es el mejor camino a seguir para la
información.
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RSSI: Received Signal Strengh Indicator: Se basan en el conocimiento de
la potencia de transmisión y el coeficiente de pérdidas del medio.
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ToA, ToDA: Time of Arrival, Time Difference of Arrival: Se basan en el
conocimiento de la potencia de transmisión, velocidad de propagación y momento
de recepción.
‹
‹
Posicionamiento por solapamiento: Se basan en el uso de nodos ancla.
Triangulación y solapamiento: Determinación y solapamiento de los
triángulos de los nodos ancla en los que se encuentra el nodo a posicionar.
Posicionamiento por solapamiento
Triangulación y solapamiento
4. Factores de diseño
4.1 Consumo
‰
‰
‰
≤ 1.2 V
≤ 0.5 Ah (Amperios/hora)
Bajo consumo CPU
- Transceptor y sensor
-
‰
‰
Memoria externa y periféricos
Ciclos de reloj
Disminuir
los
tiempos
de
activación
y
desactivación.
Incluir nodos intermedios, alimentados por la red
eléctrica que hicieran las funciones de routers para
el encaminamiento de datos (evitan que todos los
nodos estén en espera en comunicaciones
multisalto).
4.2 Topología de la red
La topología varía en función del uso que se le de a las redes
de sensores inalámbricas:
¾
¾
Red Mallada: Clásica estructura en forma de rejilla.
Red en estrella: Es la más usada. Entran en juego los routers para conseguir
que los nodos sigan siendo sencillos y de baja poca potencia.
4.3 Conformación de hardware
El hardware que compone los nodos se puede dividir en 4 unidades:
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Unidad sensora: Consta de los sensores que se van a encargar
de recibir la información externa, junto con un convertidor
analógico/digital, necesario para la transmisión digital por el canal.
Los sensores dependen de parámetros electrónicos tales como:
- Voltaje de operación, corriente de operación
- Factor de reducción
‹
Unidad de potencia:
potencia Se encarga de la alimentación del nodo
‹
Unidad de transmisión-recepción
‹
Unidad de proceso:
Puede contener un dispositivo de
proceso
almacenamiento de pequeño tamaño necesario para albergar
datos de utilidad (algoritmos para el cálculo de distancias, posición
de las gateway, etc)
5. ZigBee
5.1 Introducción
‹
Definición:
‹
Objetivos:
ZigBee
o
“el
zumbido de las abejas” es el
estándar que define las redes de
sensores inalámbricas con el
estándar IEEE 802.15.4 que
usará como base para las capas
inferiores.
- Transmisión de pocas
cantidades de datos.
- Bajo consumo de
potencia.
- Seguridad y bajo coste.
‹
Origen: Nace a partir de la
ZigBee Alliance, complejo de más
de 100 empresas (Mitsubishi,
Philips, Motorola…).
5.2 Características de ZigBee
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Consumo eléctrico bajo: 30 mA transmitiendo y 3 mA en reposo.
‹
Velocidad máxima de transmisión: 256 kbps.
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Potencia de transmisión: 1 mW, con un radio de acción entre los 10
y 100 metros.
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Número máximo de nodos: 65534.
‹
Utiliza la banda ISM: 868 MHz en Europa, 915 MHz en EEUU y 2.4
GHz en todo el mundo.
‹
Coste de cada módulo de aproximadamente 2 €.
5.3 Comparativa
Ancho de Banda
Consumo de
potencia
Wi-Fi
Bluetooth
Estándar
ZigBee
Ventajas
Aplicaciones
Hasta 54Mbps
400ma
transmitiendo,
20ma en reposo
Gran ancho de banda
Navegar por Internet, redes de
ordenadores, transferencia de
ficheros
1 Mbps
40ma
transmitiendo,
0.2ma en reposo
Interoperatividad,
sustituto del cable
Wireless USB, móviles,
informática casera
250 kbps
30ma
transmitiendo,
3ma en reposo
Batería de larga
duración, bajo coste
Control remoto, productos
dependientes de la batería,
sensores , juguetería
5.4 Tipos de dispositivos
‹
Coordinador ZigBee (ZC): Dirige la red y permite la comunicación
entre otras redes, posee memoria y capacidad de cómputo.
‹
Dispositivo de funcionalidad completa (FFD): Funciona como
coordinador o enrutador, permite la comunicación con el usuario.
‹
Dispositivo de funcionalidad reducida (RFD): Nodos.
5.5 Arquitectura ZigBee (I)
5.5.1 Capa física (PHY)
Permite inicializar el transmisor de radio frecuencia (RF) para la transmisión de bits,
recibir bits, seleccionar el canal libre y evaluar la calidad tanto de paquetes como del
canal.
Banda
Tasa de bit
Tasa de símbolo
Canales
disponibles
Modulación
Tasa de
chip
868.3 MHz
20 kbps
20 ksymbol/s
1
BPSK
300 kchip/s
902/928
MHz
40 kbps
40 ksymbol/s
10
BPSK
600 kchip/s
2,4 GHz
250 kbps
62,5 ksymbol/s
16
O-QPSK
2 Mchip/s
El bit de entrada “0” pasara a corresponder al valor de chip 111101011001000
El bit de entrada “1” pasara a corresponder al valor de chip 000010100110111
5.5 Arquitectura ZigBee (II)
5.5.2 Capa de enlace (MAC)
Es una de las capas más importantes ya que permite obtener el mínimo consumo en los
Nodos.
¾
Mecanismos de acceso al canal:
- Redes sin balizas: Utiliza un estándar ALOHA CSMA-CA que envía
reconocimientos por paquete recibido. Se puede transmitir en cualquier
momento y los demás nodos pueden interferir. Coordinador siempre
alimentado. Puede estar el canal ocupado.
- Redes con balizas: Coordinador elige tiempos de balizamiento entre 4 ms y
4 minutos. Se hace un broadcast y al nodo que le toque transmite y sino, se
duerme.
¾
¾
Direccionamiento con 64 bits y un direccionamiento opcional de 16
El estándar 802.15.4 proporciona distintos niveles de seguridad.
5.5 Arquitectura ZigBee (III)
5.5.3 Capa de red (NWK)
Se encarga de enrutar y encaminar paquetes para los distintos nodos de la
red; cifra, filtra y autentifica los distintos paquetes recibidos, implementa la
seguridad, crea la red y asigna las direcciones a cada nodo.
Diseña las distintas topologías de red que soporta ZigBee:
5.5 Arquitectura ZigBee (IV)
5.5.4 Capa de aplicación
¾
¾
¾
Destinada a la interacción entre el nodo y el usuario.
Se divide en:
- APS: Comunicación entre los nodos de la red
- ZDO: Supervisa APS y permite establecer enlaces con dispositivos
externos.
Se permiten 240 objetos ya que el 0 se reserva para la interfaz ZDO, el
255 para el broadcast y los restantes para usos futuros.
GRACIAS