REDES DE SENSORES INALAMBRICAS

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RUBEN ROSERORUBEN ROSERO

PABLO MÉNDEZPABLO MÉNDEZ

ESCUELA POLITECNICA NACIONALELECTRONICA Y TELECOMUNICACIONES

INTRODUCCIONINTRODUCCION

• La tecnología de redes de sensores inalámbricos se encuentra en La tecnología de redes de sensores inalámbricos se encuentra en la vanguardia de la investigación de las redes de cómputo y la vanguardia de la investigación de las redes de cómputo y podría ser el siguiente mercado tecnológico de miles de millones podría ser el siguiente mercado tecnológico de miles de millones de dólares.de dólares.

• Los dispositivos de sensores inalámbricos pueden detectar Los dispositivos de sensores inalámbricos pueden detectar cambios en la temperatura, presión, humedad, luz, sonido o cambios en la temperatura, presión, humedad, luz, sonido o magnetismo y un radio inalámbrico que puede reportar los magnetismo y un radio inalámbrico que puede reportar los hallazgos. Todo energizado por un par de baterías AA.hallazgos. Todo energizado por un par de baterías AA.

• Un avance de la tecnología WSN es un software especial de “redes Un avance de la tecnología WSN es un software especial de “redes en malla”en malla”

• El potencial de ahorro en costos sobre los sensores alámbricos El potencial de ahorro en costos sobre los sensores alámbricos tradicionales es enorme, además, cobra interés porque se pueden tradicionales es enorme, además, cobra interés porque se pueden usar con RFID para identificar a bajo costo y rastrear los usar con RFID para identificar a bajo costo y rastrear los productos, la maquinaria o los elementos químicos peligrosos.productos, la maquinaria o los elementos químicos peligrosos.

APLICACIONES DE LAS APLICACIONES DE LAS REDES DE SENSORESREDES DE SENSORES

Estos pueden ser claramente Estos pueden ser claramente diferenciados entre:diferenciados entre:

• Monitoreo espacialMonitoreo espacial

• Monitoreo de objetos yMonitoreo de objetos y

• Monitoreo de la interacción de objetos Monitoreo de la interacción de objetos entre si, y con el espacio circundante.entre si, y con el espacio circundante.

TELEMETRÍA POR TELEMETRÍA POR SENSORESSENSORES

• Se pueden encontrar algunos ejemplos claros Se pueden encontrar algunos ejemplos claros de valor de negocios en la telemetría por de valor de negocios en la telemetría por Sensores, en una cantidad de industrias.Sensores, en una cantidad de industrias.

• Varios factores están convergiendo para que Varios factores están convergiendo para que sea éste el momento de adoptar sea éste el momento de adoptar masivamente las tecnologías por sensores y masivamente las tecnologías por sensores y las comunicaciones móviles bi-direccionaleslas comunicaciones móviles bi-direccionales

• Reducción de costos de tecnologíaReducción de costos de tecnología• Avances en tecnologíaAvances en tecnología

MONITOREO AMBIENTALMONITOREO AMBIENTAL

Muchas de las redes inalámbricas de sensores han sido Muchas de las redes inalámbricas de sensores han sido instaladas para el monitoreo de habitatsinstaladas para el monitoreo de habitats

• Un ejemplo es el monitoreo de los microclimas para todo el Un ejemplo es el monitoreo de los microclimas para todo el volumen de Secoyas; ayuda el monitoreo de una porción volumen de Secoyas; ayuda el monitoreo de una porción del bosque.del bosque.

• Factores climáticos determinan el grado de la fotosíntesis, Factores climáticos determinan el grado de la fotosíntesis, transporte de agua, nutrientes y patrones de crecimiento.transporte de agua, nutrientes y patrones de crecimiento.

• Se conoce que existen variaciones substanciales en el Se conoce que existen variaciones substanciales en el grupo completo y en un espécimen individualgrupo completo y en un espécimen individual

• EEl clima alrededor de un árbol, creando efectivamente su l clima alrededor de un árbol, creando efectivamente su propio ambiente, todos estos factores, los habitats propio ambiente, todos estos factores, los habitats dinámicos, existen tanto arriba o bajo el árbol.dinámicos, existen tanto arriba o bajo el árbol.

SENSOR DE MONITOREO SENSOR DE MONITOREO AMBIENTALAMBIENTAL

La figura muestra una moderna WSN usada para monitoreo ambiental

SENSOR DE MONITOREO SENSOR DE MONITOREO AMBIENTAL (CONT)AMBIENTAL (CONT)• En la parte superior, dos sensores de luz incidente miden la En la parte superior, dos sensores de luz incidente miden la

radiación solar, específicamente la luz y la radiación activa radiación solar, específicamente la luz y la radiación activa fotosintéticafotosintética

• Un idéntico par de sensores en el fondo, mide la luz Un idéntico par de sensores en el fondo, mide la luz radianteradiante

• EEn el fondo existe un sensor de ambiente que monitorea la n el fondo existe un sensor de ambiente que monitorea la humedad relativa, presión barométrica y temperatura.humedad relativa, presión barométrica y temperatura.

• CContiene una pequeña computadora, almacenamiento de ontiene una pequeña computadora, almacenamiento de datos, y un transmisor de baja potencia; recolecta los datos, y un transmisor de baja potencia; recolecta los datos, los procesa y envía la información hacia los nodos y datos, los procesa y envía la información hacia los nodos y hacia el mundo exteriorhacia el mundo exterior

• La WSN realizan muestras del clima cada 5 minutos y La WSN realizan muestras del clima cada 5 minutos y calculan un promedio para cada punto de elevación.calculan un promedio para cada punto de elevación.

MONITOREO DE MONITOREO DE ESTRUCTURASESTRUCTURAS• Una estructura física como un motor, avión, ala, emisiones Una estructura física como un motor, avión, ala, emisiones

acústicas o respuesta a una estimulación.acústicas o respuesta a una estimulación.• Variaciones de estos comportamientos indican fatiga u Variaciones de estos comportamientos indican fatiga u

otros cambios mecánicos.otros cambios mecánicos.• El análisis de la respuesta estructural, por ejemplo en El análisis de la respuesta estructural, por ejemplo en

puentes, edificios, lugares que en futuros requieran usar puentes, edificios, lugares que en futuros requieran usar datos recolectados en diferentes puntos en análisis espacio datos recolectados en diferentes puntos en análisis espacio temporal.temporal.

• Los rangos de muestreo son mucho mas altos que en Los rangos de muestreo son mucho mas altos que en monitoreo ambiental, típicamente alrededor de 100Hz por monitoreo ambiental, típicamente alrededor de 100Hz por vibración.vibración.

• El buffering de los datos requiere de grandes cantidades de El buffering de los datos requiere de grandes cantidades de almacenamiento, y el sistema potencialmente presenta un almacenamiento, y el sistema potencialmente presenta un extensivo procesamiento local en los datos muestreados extensivo procesamiento local en los datos muestreados intermitentemente.intermitentemente.

HARDWAREHARDWARE

Una red inalámbrica de sensores Una red inalámbrica de sensores (WSN) consiste de un microprocesador, (WSN) consiste de un microprocesador, almacenamiento de datos, sensores, almacenamiento de datos, sensores, conversores Analógico Digitales (ADC), conversores Analógico Digitales (ADC), transductores, controladores que transductores, controladores que permiten el trabajo conjunto de los permiten el trabajo conjunto de los componentes y una fuente de energía.componentes y una fuente de energía.

CONSUMO Y OBTENCIÓN DE CONSUMO Y OBTENCIÓN DE ENERGÍAENERGÍA• Operan a potencias cercanas a 1mW con Operan a potencias cercanas a 1mW con

frecuencias de trabajo de 10MHz.frecuencias de trabajo de 10MHz.• Cuando un dispositivo esta activo durante Cuando un dispositivo esta activo durante

un porcentaje de tiempo, la potencia un porcentaje de tiempo, la potencia promedio esta alrededor de solo pocos promedio esta alrededor de solo pocos micro vatios.micro vatios.

• Estos rangos de potencia pueden ser Estos rangos de potencia pueden ser obtenidos de diversas formasobtenidos de diversas formas

• Celdas solares generan alrededor de 10mW Celdas solares generan alrededor de 10mW por centímetro cuadrado en el exterior y por centímetro cuadrado en el exterior y entre 10 y 100 μW por centímetro cuadrado entre 10 y 100 μW por centímetro cuadrado en el interior.en el interior.

MICRO SENSORESMICRO SENSORES

• Muchos materiales cambian sus Muchos materiales cambian sus características eléctricas cuando se características eléctricas cuando se someten a variaciones de las someten a variaciones de las condiciones del medio.condiciones del medio.

• Los sensores son fabricados para que Los sensores son fabricados para que estos cambios sean predecibles estos cambios sean predecibles sobre un rango.sobre un rango.

MICRO RADIOSMICRO RADIOS

• Los componentes de radios pueden Los componentes de radios pueden ser fabricados con tecnología CMOS ser fabricados con tecnología CMOS convencionalconvencional

• Radios para WSN consumen Radios para WSN consumen alrededor de 20mW, y sus rangos alrededor de 20mW, y sus rangos son típicamente medidos en decenas son típicamente medidos en decenas de metros.de metros.

SISTEMA OPERATIVOSISTEMA OPERATIVO

• Los sistemas operativos usados en este tipo de redes Los sistemas operativos usados en este tipo de redes son sistemas pequeños o Tiny OSson sistemas pequeños o Tiny OS

• Los componentes de más bajo nivel abstraen el nivel Los componentes de más bajo nivel abstraen el nivel físico y reparten interrupciones físicas como eventos físico y reparten interrupciones físicas como eventos asincrónicos.asincrónicos.

• Involucra un completo stack en el que los niveles mas Involucra un completo stack en el que los niveles mas bajos acceden al canal de radio y del entramado de bajos acceden al canal de radio y del entramado de los datos que los nodos de recepción pueden los datos que los nodos de recepción pueden reconocer.reconocer.

• Estos componentes realizan corrección de errores, y Estos componentes realizan corrección de errores, y manejo del canal, así como también detectan la manejo del canal, así como también detectan la llegada de paquetes y los procesan en los buffers de llegada de paquetes y los procesan en los buffers de entrada.entrada.

PLATAFORMAS DE REDES DE SENSORES

• Pequeños sistemas operativos son generalmente usados para exploración de sistemas que tratan y utilizan aplicaciones pilotos.

• Los microcontroladores proveen una modesta capacidad de RAM y programa almacenado y contienen un ADC interno.

• La Intel i Mote en un reciente diseño integrado que ha usado un chip comercial con un poder completo de microprocesadores ARM.

• Normalmente los procesadores ARM pueden ser dedicados a manejar Bluetooth y transferir paquetes por el puerto serial.

• Corren directamente sobre pequeños sistemas operativos en el procesador ARM proveyendo un sistema de servicios de varios sensores y rutas

• Procesan altos niveles de información de tipo ráfaga y manejan el consumo de potencia.

• Los diseños enteros ocupan solamente 5 milímetros cuadrados.

REDES AUTOORGANIZADASREDES AUTOORGANIZADAS

• Las comunicaciones inalámbricas e instrumentación usan sensores remotos para satélites y telemetría de misiles.

• Una red consiste de muchos nodos, cada uno con múltiples enlaces conectando a otros nodos.

• En redes inalámbricas de sensores, cada nodo tiene un radio que provee un juego de enlaces de comunicación a nodos cercanos.

• Por intercambio de información, nodos vecinos se pueden descubrir y llevar a cabo un algoritmo distribuido a determinar como será la ruta de datos acorde a la aplicación necesitada.

• Aunque lugares físicos primarios determinan conectividad, variables como una obstrucción, interferencia, factores ambientales, orientación de antenas y movilidad hacen que la determinada conectividad sea difícil.

CONECTIVIDAD

• Las redes inalámbricas de sensores están construidas sobre capas.

• Cuando un nodo transmite, una colección de otros pueden recibir la señal a menos que esto este confundido por otras transmisiones al mismo tiempo.

• Para evitar contenidos del canal de radio, las capas de enlace escuchan al canal y transmiten solamente cuando el canal esta libre.

• Cuando no están transmitiendo, los nodos muestrean el canal.

• La capa maneja el paquete y los almacena, detectan o corrigen errores, se encarga de paquetes perdidos.

DISEMINACION Y COLECCION DE DATOS.• Estos pueden ser archivados por un protocolo inundado en que un nodo

raíz difunde un.

• Los protocolos inundados usan varias técnicas de prevenir contención y minimizar trasmisiones redundantes.

• Las redes usan diseminación a comandos claves, transmisión de alarmas y configuración y tarea de redes.

• Estos patrones de comunicación difieren significativamente de otros basados en Internet.

• En WSN la comunicación es llevada a cabo en el agregado y los participantes son identificados por tributarios. Este estilo de ruteo ha sido formulado como una difusión directa.

• El modelo DTN compara las variables de conectividad de ambientes dinámicos esos resultados necesitan un ciclo de servicio.

CONSERVANO PODER Y ANCHO DE BANDA• La mayor energía lleva a cabo la operación del nodo, que tienen que contener una parte del

ancho de banda limitado.

• Varios accesos son posibles, nodos pueden procesar datos localmente y solamente comunicarse cuando detectan un evento interesante.

• Estos accesos son empleados en sistemas de alarma o un sistema de monitoreo ambiental.

• En muchos casos primitivos sensores de bajo poder desencadenan aparatos con sensores de alto poder tal como lo son las cámaras.

• La compresión y programado también pueden conservar energía a capas bajas.

• Las redes pueden implementar la conservación de energía dentro de capas bajas por ejemplo el acceso múltiple por división del tiempo.

• Finalmente la red puede rechazar paquetes no interesantes por turnos fuera de radio antes de recibir solamente una porción.

PRIVACIDAD

• Numerosos instrumentos de acceso en tiempo real y procesamiento en red hacen una diferencia cualitativa en su habilidad de percepción de qué esta pasando por toda la larga estructura física.

• Y el proceso de diseminación son transparentes.

• Mas detalles tal como sensar un movimiento de ocupación y un nivelado estado futuro amplia propósitos concernientes sobre uso y diseminación..

• Estos factores sociales son inherentes en o que concierne a sensores de tecnología de red.

COMENTARIOS

• Aplicaciones nuevas de redes de sensores introduciendo tecnología de red.

• Como una defensa final en contra de potentes detonaciones de aparatos de dispersión radiológicas (RDD).

• Detectando y localizando exactamente snifers han sido un gran y escurridizo objetivo de las fuerzas armadas y leyes de Agencias Aplicadas.

• Diminutos y baratos sensores acústicos miden la correcta determinación de disparo, localización y trayectoria de bala.

• El sistema automáticamente clasifica la medida y elimina resultados erróneos de efectos de múltiple trayectoria.

• En una casa muchos pequeños aparatos probablemente serán parte del proceso de manufactura de varios materiales y objetos .

• Estos sensores tenderán a operar entre los ambientes de fuentes de energía internos donde serán críticos.