Redes de Sensores Inalámbricos

WSN (Wireless Sensor Network)
Redes de Sensores Inalámbricos

Lucio Marcelo Quispe Ortega
mache.lmqo@gmail.com
marcelo.quispe@consultora-devian.net

VIII Aniversario de la Carrera de Ingeniería en
Telecomunicaciones
Ciclo de Conferencias Magistrales

Abril, 2012

Agenda

1. Introducción
2. Historia y Evolución
3. Elementos de una WSN
4. Características
5. Estándares
6. Aplicaciones
7. Líneas de Investigación

Redes de Sensores Inalámbricos by Lucio Marcelo Quispe Ortega

1. Introducción

 Las redes inalámbricas han tenido un rápido desarrollo en los últimos
años
 Infrarrojos, Bluetooth
 Wifi, Wimax
 GPRS, 3G, 4G
 Redes inalámbricas
 Redes con infraestructura
 Redes sin infraestructura


1. Introducción

Redes inalámbricas con Infraestructura
 Número fijo de enlaces cableados entre sí
 Comunicación directa: terminal – estación base
 Comunicación sólo dentro del área de cobertura
 Ejemplos: Redes WiFI, Telefonía móvil


1. Introducción

Redes inalámbricas sin Infraestructura (Ad-hoc)
 Todos los hosts son móviles
 Conectados entre sí arbitrariamente y de manera dinámica
 Los nodos funcionan como encaminadores (routers), involucrados
tanto en el descubrimiento como en el mantenimiento de rutas.
 Recolectan información del ambiente, procesan los datos y los
transmiten a una estación base o nodo sink.


1. Introducción: WSN y Ad-hoc

 El número de sensores es muy grande.
 Los nodos pueden o no ser fijos.
 La estructura de la red es cambiante.
 Los nodos sensores no tienen identificación.
 Son redes con restricciones en energía y en ancho de banda.


2. Historia y evolución

 Predecesores
 Chain Home (II Guerra Mundial)
 SOSUS (Guerra Fría)
 NORAD (Guerra Fría)

 Años 8Os: Proyecto DSN
-> DARPA (Agencia de Investigación de
Proyectos Avanzados de Defensa)

 10 tecnologías emergentes que
cambiarán el mundo (MIT-2003)

2. Historia y evolución

 Ley de Moore: Cada 2 años se duplica el número de transistores en un
circuito integrado


 SENSORES:
 Toman del medio la información y la convierten
en señales eléctricas.
 NODOS (Motas)
 Toman los datos del sensor 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.
 RED INALÁMBRICA:
 Típicamente basada en el estándar 802.15.4
ZigBee.


Las Motas
 Son pequeñas unidades del tamaño de una caja de cerillas y tienen
solamente…
 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)



Componentes de una Mota

Antena y radio

Microprocesador

Fuente de a Conector para
limentación sensores externos



Clases de Motas del mercado



Software

 Sistema Operativo: TinyOS
 Desarrollado en la Universidad de Berkeley
 Puede ser aplicado a otros sistemas embebidos
 Optimizado para hardware reducido
 Comandos (tareas del S.O)
 Eventos (Interrupciones)
 Funciones (Cálculos no prioritarios)
 URLs:
 http://www.tinyos.net/download.html
 http://www.moteiv.com/software/



Software

 Lenguaje de Programación NesC
 Metalenguaje que deriva de C
 Proyecto de código abierto (Open Source)
 Componentes (abstracción del hardware) mediante
programación orientada a objetos (POO).
 Modelo de Eventos mediante programación orientada a
eventos (POE).
 Logicamente divididos en tres partes:
 Configuración, Implementación y Módulos.
 ¿Cómo empezar?
 http://nescc.sourceforge.net



Software

Blink.nc BlinkM.nc
configuration Blink { module BlinkM {
} provides {
implementation { interface StdControl;}
components Main, BlinkM, SingleTimer, LedsC; uses {
Main.StdControl -> SingleTimer.StdControl; interface Timer;
Main.StdControl -> BlinkM.StdControl; interface Leds;}
BlinkM.Timer -> SingleTimer.Timer; }
BlinkM.Leds -> LedsC; implementation {
} command result_t StdControl.init() {
call Leds.init();
return SUCCESS;}
command result_t StdControl.start() {
return call Timer.start(TIMER_REPEAT, 1000);}
command result_t StdControl.stop() {
return call Timer.stop();}
event result_t Timer.fired(){
call Leds.redToggle();
return SUCCESS;}
}


4. Características: Principales

 Bajo consumo de energía
 Bajo coste
 Restricciones de hardware
 Autoconfiguración
 Seguridad


4. Características: Otras

 Facilidad de despliegue
 No se utiliza infraestructura de red:
 encaminamiento entre nodos sin visión directa con
comunicaciones multisalto
 Topología dinámica:
 nodos autoconfigurables, tolerancia a fallos
 Utilización de broadcast
 Operación sin mantenimiento durante varios meses o años
 Integración con otras tecnologías:
 agricultura, biología, medicina, etc.
 Científicos e investigadores de gran renombre se han subido al tren de
las WSN


4. Características: Consumo de Energía

 La energía es un recurso muy escaso
 Hay que gestionar eficientemente la energía consumida
 A nivel físico
 A nivel de enlace
 A nivel de red
 A nivel de transporte
 A nivel de aplicación
 A nivel de sistema operativo
 …..


4. Características: Topologías de Red


4. Características: Aplicación típica


5. Estándares

 Tecnología ZigBee
 Honeywell, Invensys, Mitsubishi, Motorola, Philips, y Samsung
 Estándar IEEE 802.15.4

ZigBee

IEEE
802.15.4

Alcance vs Capacidad

Agenda

1. Introducción
2. Historia y Evolución
3. Características
5. Estándares
6. Aplicaciones


6. Aplicaciones:

 Aplicaciones militares:
 Monitorización de fuerzas y equipos enemigos
 Vigilancia en el campo de batalla
 Control y seguimiento de soldados y equipos militares
 Reconocimiento del terreno
 Detección de ataques biológicos, químicos o nucleares, etc.


6. Aplicaciones:

 Aplicaciones medioambientales :
 Seguimiento de animales,
 Monitorización de las condiciones ambientales en cultivos, riego,
 Detección de incendios forestales, inundaciones,
 Estudios de contaminación, sísmicos,
 Prevención de desastres, etc.


6. Aplicaciones:

 Aplicaciones médicas :
 Telemonitorización de datos fisiológicos en pacientes,
 diagnóstico,
 administración de medicamentos,
 seguimiento de médicos y pacientes en hospitales,
 etc.


6. Aplicaciones:

 Aplicaciones en el hogar/edificios
 Domótica,
 control de electrodomésticos,
 entornos inteligentes,
 daños de estructuras,
 control ambiental, seguridad, etc.


6. Aplicaciones:

 Aplicaciones industriales:
 Seguimiento de vehículos, control de flota, control de inventarios,
etc.
 Aplicaciones turísticas:
 Interactividad en museos y espacios turísticos, control de acceso,
etc.


6. Aplicaciones: Sistemas de Aparcamiento


6. Aplicaciones: Google Maps


6. Aplicaciones: Desastres Naturales



 Protocolos de Ruteo
 SPIN, Difusión dirigida, Leach, etc.
 Heterogeneidad
 Cálculos y operaciones en motas
 Tiempo de vida de la Red
 Optimización del consumo de energía
 Seguridad
 Encriptación y cifrado de datos
 Protocolos de autenticación
 Y otros más…..


WSN (Wireless Sensor Network)
Redes de Sensores Inalámbricos

Lucio Marcelo Quispe Ortega
mache.lmqo@gmail.com
marcelo.quispe@consultora-devian.net

VIII Aniversario de la Carrera de Ingeniería en
Telecomunicaciones
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Abril, 2012

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