Redes Inalámbricas de Sensores

Ing. Albino Goncalves

Redes Inalámbricas de Sensores

Junio 2012


Una Red Inalámbrica de Sensores (WSN) es una red inalámbrica de dispositivos autónomos distribuidos de forma espacial, que utilizan sensores para monitorear condiciones físicas y ambientales. Estos dispositivos autónomos, o nodos, se combinan con enruteadores y gateway para crear un sistema WSN típico.

Los nodos de medida distribuidos se comunican se manera inalámbrica a un gateway central, el cual proporciona una conexión al entorno cableado donde se puede adquirir, procesar, analizar y presentar sus datos de medida.



MIT en febrero de 2003: Las redes inalámbricas de sensores serán una de las tecnología emergentes que cambiará el mundo.

Integración con otras tecnologías: agricultura, biología, medicina, etc.

Aplicaciones antes impensables: interacción de los seres humanos con el medio, computación ubicua, inteligencia ambiental, entre otras.

Científicos e investigadores de gran renombre se han subido al tren de las redes de sensores inalámbricos.

El número de empresas que fabrican sensores en un país está considerado como un indicador tecnológico.



Características Facilidad de despliegue.

No se utiliza infraestructura de red.

Topología dinámica con nodos autoconfigurables para tolerancia a fallos.

Utilización de broadcast.

Ultrabajo consumo.

Funcionamiento con pilas de larga autonomía.

Muy bajo coste.

Operación sin mantenimiento durante varios meses o años.


Aplicaciones

El monitoreo embebido cubre una amplia

variedad de áreas de aplicación, incluyendo

aquellas donde las limitaciones de potencia

o infraestructura hacen que una solución

cableada sea costosa, desafiante o hasta

imposible. Usted puede colocar las redes

de sensores inalámbricas al lado de los

sistemas cableados para crear un sistema

completo de medidas y control, cableado e

inalámbrico.


AplicacionesUn sistema WSN es ideal para una aplicación como monitoreo ambiental

en el cual los requerimientos obligan a una solución desplegada a largo plazo.

Para utilidades como la cuadrícula de electricidad, semáforos y agua municipales, los sensores inalámbricos ofrecen un método de menor costo para compilar datos del sistema de salud para reducir el uso de energía y obtener mejores recursos administrativos.

En el monitoreo de la estructura de salud, usted puede usar sensores inalámbricos para monitorear de manera efectiva carreteras, puentes y túneles.

También puede desplegar esos sistemas para monitorear continuamente edificios de oficinas, hospitales, aeropuertos, fábricas, plantas de energía o plantas de producción.


Elementos SENSORES: Toman del medio la información y la

convierten en señales eléctricas.

NODOS (Motas): Toman los datos del sensor y envían la estación base.

ESTACIÓN BASE: Recolector de datos basado en un procesador o sistema embebido.

GATEWAY: Elementos para la interconexión entre la red de sensores y una red de datos.


Arquitectura


Nodo

Nodo

Nodo

Nodo

Nodo

Nodo

Nodo

NodoNodo

Nodo

Nodo

Gateway

• Permite conexión entre la red inalámbrica y el computador.

• Almacena datos si falla conexión al PC

• Coordina la Red

• Obtención de datos de sensores

• Interpretar comandos y registrar eventos y fallas.

Arquitectura


Nodos o Motas Los nodos son pequeñas unidades del tamaño de una

caja de fósforos (motas) que tienen: unos pocos kilobytes de memoria un procesador de unos cuantos MHz Una radio de pocos metros de alcance Una o dos pilas (tipo AA, AAA o tipo botón)


Humedad Relativa y Temperatura

Radiación Total y PAR

Antena Integrada

Puerto Expansión(ADC, I/O)

• IEEE 802.15.4 compatible (2.4 GHz, 250 kbps)• Bajo consumo (2 pilas AA)• Tamaño (6.3 cm x 3.2 cm)• Hasta 150 metros de alcance y 400 metros con antena

externa

Puerto JTag Módulo de comunicación inalámbrica

Microcontrolador(Contiene Sistema

Operativo Embebido)

Nodos o Motas


Nodos o Motas


Potencia del Nodo En las aplicaciones WSN, la duración de batería es un requisito, así

que hoy en día varios de los sistemas WSN están basados en protocolos ZigBee o IEEE 802.15.4 por su bajo consumo de potencia, los cuales con frecuencia duran tres años.

Además de los requerimientos de larga duración, debe considerar el tamaño, peso y disponibilidad de las baterías, así como estándares internacionales para envíos de baterías. El bajo costo y la amplia disponibilidad de las baterías de zinc-carbono y alcalinas las hace una opción muy común. Las técnicas para recolección de energía también se están volviendo más frecuentes en redes de sensores inalámbricas. Con dispositivos que utilizan celdas solares o colectan calor del ambiente, se puede reducir o hasta eliminar la necesidad de usar baterías.


Estados del Nodo Sleep (durmiendo): la mayor parte del tiempo.

Wakeup (despertando): minimizar este tiempo para pasar rápidamente al estado de trabajo.

Active (activo): trabajando el mínimo tiempo posible y retorno inmediato al estado sleep.


Estados del Nodo


TopologíasPara aumentar la distancia que una red puede cubrir, puede

implementar una topología de cluster o árbol. En esta arquitectura más compleja, cada nodo mantiene una sola trayectoria de comunicación directa al gateway pero puede usar otros nodos para enrutar sus datos a esa trayectoria. Esta topología tiene un problema. Si el nodo ruteador falla, todos los nodos que dependen de ese ruteador también pierden sus trayectorias de comunicación con el gateway.

La topología de malla soluciona este problema al usar trayectorias de comunicación redundante para aumentar la fiabilidad del sistema. En una red de malla, los nodos mantienen múltiples trayectorias de comunicación al gateway, así si el nodo ruteador falla, la red automáticamente enruta los datos a través de una trayectoria diferente. La topología de malla, aunque es muy confiable, sufre de incremento de latencia de red ya que los datos deben hacer múltiples saltos antes de llegar al gateway.


Topologías


Sistema Operativo (TinyOS, SOS, Contiki)

CC2420 (ChipCon)

Programación


TinyOS Es un sistema operativo, desarrollado en la Universidad

de Berkeley, como sistema base para la construcción de aplicaciones en redes inalámbricas de sensores

Soporta diferentes plataformas de sensores Puede ser aplicado a otros sistemas embebidos. Contiene numerosas aplicaciones pre-construidas Dispone de herramientas que facilitan el desarrollo El lenguaje de TinyOS es NesC, un metalenguaje que

deriva de C Es un proyecto de código abierto (Open Source) En www.tinyos.net hay soporte y un tutorial on-line Moteiv tiene una versión particularizada de TinyOS para

sus motas


TinyOS


Estándares Inalámbricos


Zigbee


Aplicaciones militares: monitorización de fuerzas y equipos enemigos, vigilancia en el campo de batalla, reconocimiento del terreno, detección de ataques biológicos, químicos o nucleares, etc.

Aplicaciones medioambientales: seguimiento de animales, monitorización de las condiciones ambientales en cultivos, riego, agricultura de precisión, detección de incendios forestales, detección de inundaciones, estudios de contaminación, prevención de desastres, monitorización de áreas afectadas por desastres, etc. Estudios sísmicos Seguridad de estructuras

Aplicaciones


Aplicaciones médicas: telemonitorización de datos fisiológicos diagnóstico, administración de medicamentos, seguimiento de médicos y pacientes

Aplicaciones en el hogar/edificios: domótica, control de electrodomésticos, entornos inteligentes, control ambiental, etc.

Aplicaciones industriales: seguimiento de vehículos, control de flota, control de inventarios, etc.

Aplicaciones turísticas: interactividad en museos y espacios turísticos, control de acceso, etc.

Aplicaciones


Plataformas de Hardware Disponibles en el Mercado


Plataformas de Hardware Disponibles en el Mercado

Fuente: Libelium (2012)


Over the Air Programming OTA

Fuente: Libelium (2012)


Modos de uso de las redes de sensores

Monitorización continua: Nodos midiendo los mismos parámetros en un área de

interés. Envío periódico de la información recogida. Aplicación: control de agricultura, microclimas, etc.

Monitorización basada en eventos: Nodos monitorizando entornos continuamente. Pero sólo hay

envío de información cuando ocurre algún evento. Aplicación: control de edificios inteligentes, detección de

incendios, aplicaciones militares, etc. Localización y seguimiento:

Los nodos se usan para etiquetar y localizar objetos en una zona determinada.

Aplicación: rastreo de animales, seguimiento de un trabajador, etc.

Redes híbridas: Escenarios de aplicación que contienen aspectos de las 3

categorías anteriores.


Monitorización Continua


Monitorización Basada en Eventos


Localización y Seguimiento


Aplicación Híbrida


Herramientas de Software


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