Arquitectura protocolar de una WSN

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
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
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!