Redes de Sensores Inalámbricos (WSN)

Estado del Arte y aplicaciones

Por: Francisco Javier Valenzuela Riquelme

1.- Introducción

2.- ¿Qué son las Redes de Sensores Inalámbricos (WSN)?

3.- Elementos de las WSN.

◦ 3.1.- Nodos Sensores.

4.- Arquitectura Protocolar

5.- Aplicaciones

6.- Ventajas y Desventajas

7.- Tendencias

8.-Conclusiones

Temas

1.-Introducción

Aspectos Relevantes de las WSN. Últimas Tendencias en tecnología. Revolución en Telecomunicaciones. Computación Ubicua. Normas IEEE. Orígenes de las WSN.

Introducción

Localización. Navegación por alcance de sonido (SONAR). Primera red de sensores fue desarrollada

por EEUU en el marco de la guerra fría

Orígenes de las WSN

Las redes de sensores pueden considerarse un campo específico dentro de la Computación Ubicua.

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.

Concepto de una WSN

Una red ad hoc es una red inalámbrica descentralizada. La red es ad-hoc porque cada nodo está preparado para reenviar datos a los demás y la que los router llevan a cabo esa función. También difiere de las redes inalámbricas convencionales en las que un nodo especial, llamado punto de acceso, gestiona las comunicaciones con el resto de nodos.

Las redes ad hoc antiguas fueron las PRNETs de los años 70, promovidas por la agencia DARPA del Departamento de Defensa de los Estados Unidos después del proyecto ALOHAnet

Redes Ad-Hoc

2.-¿Qué son las redes de sensores

inalámbricos? (WSN)

El número de nodos en una WSN puede ser varias veces mayor (miles de nodos) y en un área dada, el número de nodos puede ser muy elevado (gran densidad).

Un nodo dispone de unos recursos limitados y es propenso a fallos. Únicamente logrando una cooperación y coordinación real de todos los nodos, se puede lograr que la red en conjunto funcione correctamente.

Un nodo sensor usa normalmente mecanismos de broadcast para comunicarse con su entorno mientras que la mayoría de las redes ad-hoc están basadas en comunicaciones punto a punto.

Un nodo sensor tiene limitada su capacidad de memoria, procesamiento y se alimentan con baterías.

Los nodos sensores no suelen tener un identificador global, como supone una dirección IP, por la sobrecarga computacional y de memoria que introducen y, por definición, el elevado número de nodos sensores que hay en la red.

Características las WSN

Antecedentes importantes: En 2003 la Comunidad Industrial InalámbricaI WC y la Oficina para la Renovación y Uso Eficiente de la Energía, del Departamento de Energíade USA, emitieron un informe conjunto denominado “Industrial Wireless Technology forthe 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.

En el informe citado se señala una serie de inconveniente que actualmente aquejan a las instalaciones de redes cableadas. Entre ellas se citan:

Altos costos de instalación. Altos costos de mantenimiento. Aumentos constantes de los costos. Alta tasa de falla en conectores. Dificultad para detectar los problemas en conectores.

Desafíos en redes Sensoras

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

Desafíos WSN

Hitos ImportantesAños Eventos

1980’s Sensores distribuidos conectados mediante cables.

1993 Proyecto LWIN en la UCLA

1999-2003

Proyecto DARPA (Defense Advanced Research Project Agency)-SensIT. UC Berkeley, University Southern California, University Cornell

2001 Laboratorio de investigación de Intel se enfoca a las WSN.

2002NSF (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,EmberCorp, SensiCast. Luego se instalan Intel, Bosch, Motorola, Genera lElectric, 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.

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 radio comunicación 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 serán 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.

Desafíos

3.- Elementos de las WSN

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.

Elementos de las WSN

Un nodo sensor es un elemento computacional con capacidad de procesamiento, memoria, interfaz de comunicación y puede formar conjuntos de sensores

Nodos Sensores

En general, un nodo genérico dispondrá de los siguientes bloques funcionales: - Unidad de proceso: Por su coste, se suelen emplear microcontroladores. Está

encargado de gestionar todas las actividades del nodo entre las que destacan la captura de datos y su procesado, labores críticas de comunicación con otros nodos y la gestión eficiente de la energía disponible.

- Memoria: Para realizar las funciones anteriormente mencionadas, la unidad de proceso se apoya en el módulo de memoria (almacenamiento de datos de los sensores, información relevante para las tareas de comunicaciones, etc.).

- Módulo sensor: se trata de un sensor o un grupo de ellos, conectados con la unidad de proceso. Miden parámetros físicos de su entorno (temperatura, presión, intensidad lumínica, humedad, movimiento, etc.).

- Módulo de comunicaciones inalámbricas o transceiver: Es la interfaz a través de la cual el nodo interacciona y se comunica con sus nodos vecinos. Debido a las restricciones son dispositivos de corto alcance (metros) y baja velocidad (varios Kbps).

- Sistema de alimentación: Cada nodo debe estar equipado con su propia fuente de alimentación y es el recurso que limita la vida útil del nodo y una de las principales restricciones y requisitos de diseño. Normalmente son baterías autónomas aunque, también se contempla el uso de placas solares.

Hardware nodo sensor

Las principales casas que disponen de tecnologías para redes de sensores inalámbricos son las siguientes:

Crosssbow: Ha estado a la vanguardia de la tecnología de sensores inteligentes durante más de una década desarrollando plataformas de software y hardware que dan soluciones en redes. Entre sus productos de módulos inalámbricos podemos encontrar las plataformas Mica, Mica2, Micaz, Mica2dot, telos, telosb, Iris e Imote2.

Motas Comerciales

Sentilla: También llamada anteriormente MoteIV. Es la encargada de los motes Tmote Sky y Tmote Invent.

Motas Comerciales

Algunas Motas Comerciales

4.-Arquitectura protocolar de

WSN

Arquitectura de Red de un nodo sensor

Modelo Jerárquico de una WSN

-PalOs: Es un sistema operativo desarrollado por la UCLA (Universidad de California). El modelo de

Para un correcto funcionamiento de esta estructura de software, es necesario que un“timer” maneje la periodicidad con que una tarea registra eventos. La forma en que se implementa es a través de una tarea “timer”. Esta posee tres colas:

1. “Cola Nexo”, encargada de interactuar con las demás tareas (recibe el envío de otras tareas).

2. “Cola Delta”, en la cual se ordenan los distintos eventos dependiendo del tiempo de expiración

3. “Eventos Expirados”, donde se van colocando para su posterior ejecución.

Sistemas operativos para motas

-SOS: Fue desarrollado en la Universidad de UCLA específicamente en el “Networked and Embedded Systems Lab (NESL)”. Implementa un sistema de mensajería que permite múltiples hebras entre la base del sistema operativo y las aplicaciones, las cuales pasan a ser módulos que pueden ser cargadas o descargadas en tiempo de ejecución sin interrumpir la base del sistema operativo. Además procura remediar algunos de las limitaciones propias de la naturaleza estática de muchos de los sistemas precursores a este (por ejemplo TinyOS).

El principal objetivo de SOS es la reconfigurabilidad. Además de las técnicas tradicionales usadas en el diseño de sistemas

embebidos, las características del kernel de SOS son:• Módulos cargados dinámicamente.• Programación flexible de prioridades.• Subsistema para manejo de memoria dinámica.Las capas de abstracción de hardware y drivers son de la misma forma

que para el sistema PalOS.

Sistemas Operativos para motas

-TinyOS: Fue desarrollado por la Universidad de Berkeley (California). TinyOS puede ser visto como un conjunto de programas avanzados, el cual cuenta con un amplio uso por parte de comunidades de desarrollo, dada sus características de ser un proyecto de código abierto (Open Source). Este “conjunto de programas” contiene numerosos algoritmos, que nos permitirán generar enrutamientos, así como también aplicaciones pre-construidas para sensores.

Está escrito en base a NesC, un meta-lenguaje que se deriva de C, diseñado para responder a las necesidades que existen en los sistemas embebidos. El método de diseño es orientado a componentes. Cada componente usa eventos y comandos que rápidamente permitan la transición de un estado a otro. Además existen tareas, que solicitan el contexto de ejecución de la CPU para realizar cómputos o procesamientos duraderos. Estas tareas se ejecutan completamente con respecto a otras tareas, es decir, las tareas no pueden dividirse para comenzar con otra y luego retomarlas, más si pueden ser interrumpidas periódicamente por acontecimientos de una prioridad más alta (eventos).

Actualmente se utiliza una cola FIFO (primero en entrar, primero en salir) para el scheduler, no obstante un mecanismo alternativo podría ser agregado fácilmente. 

Sistemas operativos para motas

Comparativa Software’s

-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.

-MagnetOS: Sistema operativo distribuido para redes de sensores adhoc, cuyo objetivo es ejecutar aplicaciones de red que requieran bajo consumo de energía, adaptativas y fáciles de implementar.

-EYESOS: Se define como un entorno para escritorio basado en Web, permite monitorizar y acceder a un sistema remoto mediante un sencillo buscador.

Otros Sistemas Operativos

La programación de sensores es complicada, entre otras dificultades está la limitada capacidad de cálculo y la cantidad de recursos. Y así como en los sistemas informáticos tradicionales encontramos entornos de programación prácticos y eficientes para depurar código y simular.

Podemos encontrar lenguajes como:nesC: Lenguaje que utilizamos para nuestras motas, y que está

directamente relacionado con TinyOS. Protothreads: Específicamente diseñado para la programación

concurrente, provee hilos de dos bytes como base de funcionamiento. SNACK: Facilita el diseño de componentes para redes de sensores

inalámbricas, sobre todo cuando la información o cálculo a manejar es muy voluminoso, complicado con nesc, este lenguaje hace su programación más fácil y eficiente. Luego es un buen sustituto de nesc para crear librerías de alto nivel a combinar con las aplicaciones más eficientes.

 

Lenguajes de Programación

c@t: Iniciales que hincan computación en un punto del espacio en el tiempo (Computation at a point in space (@) Time).

  DCL: Lenguaje de composición distribuído (Distributed

Compositional Language).

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): Como su nombre indica es una interesante herramienta para realizar consultas sobre redes de motas.

Lenguajes de Programación

Los protocolos WSN comprenden las capas: Física Enlace de Datos Red Las aplicaciones de los usuarios se forman

sobre la capa de red.

Protocolos WSN

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.

Criterios para seleccionar un protocolo MAC

Los estándares consisten en una recopilación de especificaciones que regulan la realización de procesos para garantizar la interoperabilidad de diversos productos.

En el entorno de las comunicaciones inalámbricas podemos mencionar algunos como:

• Bluetooth (IEEE802.15.1): permite comunicaciones radio de 720 kbps (1 Mbps de capacidad bruta) en radios de cobertura de entre 10 y 100 metros con un consumo de corriente de 40 mA. Los datos son sincronizados entre ordenadores, teléfonos móviles y otros periféricos tales como impresoras, PDAs, etc.

• Wimax (IEEE802.16): permite trabajar a una tasa de transmisión de 70 Mbps en radios de cobertura de hasta 48 kilómetros a frecuencias de 2,5 y 3,5 Ghz.

• Wifi (IEEE802.11): permite transmisiones de datos de entre 11 Mbps (IEEE802.11b) y 54 Mbps (IEEE802.11g) y opera en las bandas de radio de 2,4 - 2,5 Ghz. 8 Localización de nodos en una red inalámbrica de sensores.

• IEEE802.15.4: permite transmisiones de datos de entre 20 a 250 kbps en radios de cobertura de entre 10 y 75 metros soporta bandas de radio de 2400-2483,5 MHz (utilizado en todo el mundo) empleando 16 canales. También es compatible en las bandas de 868-868,8 MHz (Europa) y 902-928 MHz (Norte América), hasta diez canales (2003) extendidos a treinta (2006).

Estándares IEEE

Las principales características de este estándar son: • Flexibilidad en la red debido a la facilidad de integración en la

red mostrada por sus dispositivos ya que cada nodo puede iniciar su participación en la red, y el intercambio de información se realiza sin demasiado esfuerzo de instalación.

• Bajo coste, debido al uso de componentes de coste reducido. • Bajo consumo de energía: se trata de uno de los objetivos

primordiales de este estándar ya que al tratarse del uso de dispositivos inalámbricos, deberemos utilizar baterías y conseguir un consumo mínimo para evitar de reponer las baterías de manera frecuente. Para ello utilizamos una potencia de transmisión y un radio de alcance limitados (10 y 75 metros) y además utilizando unos ciclos de trabajos bastante bajos del orden de un 0,5%. Por ejemplo, en caso de que utilicemos una batería de una capacidad de 750 mAh en un rango de 10 metros, con un consumo de 10 mA de corriente en estado activo, nuestra batería podría alcanzar una duración de dos años si el ciclo de trabajo es inferior a 0,5%.

IEEE 802.15.4

Comparación normas

Normas IEEE

Relación señal a ruido (SNR) v/s Tasa de

Errores por Bit (BER)

Costo Estándares

Canales IEEE

Las comunicaciones inalámbricas son inherentemente inseguras. En el comienzo de esta tecnología, el principal objetivo era el ahorro de

potencia. Es por esto que los protocolos creados y el software correspondiente se centraban en esta tarea más que en proporcionar una comunicación relativamente segura.

El método que se utiliza excluyentemente es la encriptación por clave simétrica (por ser relativamente sencillo de implementar). Aún así, estos algoritmos deben ser implementados cuidadosamente. Actualmente existen dos protocolos que cumplen esta función: μTESLA y SNEP. El primero provee autenticación, mientras que el segundo provee confidencialidad, autenticación y frescura.

La encriptación a nivel enlace y los mecanismos de autenticación mencionados, si bien proveen un nivel básico de seguridad contra intrusos de pequeño poder computacional, no son suficiente protección contra ataques de mayor escala. El diseño de protocolos seguros para redes de sensores inalámbricos es un área que todavía se encuentra en desarrollo.

Seguridad y encriptación

5.-Aplicaciones en WSN

Aplicaciones Industriales

Aplicaciones Industriales

Aplicaciones Médicas

Domótica

Domótica: Casa Inteligente

Entornos Ambientales

Entornos Ambientales

Monitorización de condiciones en la selva

Aplicaciones y alcance WSN

6.-Ventajas y Desventajas

en WSN

Dentro de las ventajas que encontramos en las WSN, podemos mencionar las siguientes

- Tiempo de vida - Cobertura - Costos y facilidad de instalación - Tiempo de Respuesta - Bajo consumo de potencia - Precisión y frecuencia de las mediciones - Seguridad (aún es un campo en desarrollo, sin embargo han

logrado introducirse algoritmos criptográficos que proveen de seguridad y eficiencia a la red).

Algunas restricciones las encontramos en: - Energía, capacidad de cómputo, memoria - Redes desatendidas (sin intervención humana), con alta

probabilidad de fallo, lo cual se desea aminorar con el monitoreo de estas.

Ventajas y Restricciones

7.-Tendencias

Tendencias en WSN

8.-Conclusiones

Conclusiones Debido a las excelentes características de este tipo de redes,

en la actualidad se están utilizando las redes de sensores en infinidad de proyectos relacionados con distintos campos como pueden ser: medio ambiente, salud, el ámbito militar, construcción y estructuras, automoción, demótica, agricultura, etc.

Gracias a la utilización de esta tecnología en los diversos campos se está alcanzando un mayor nivel de control y monitorización lo cual lleva a una mejora del manejo del medio en que se están utilizando y de respuesta frente a inconvenientes o simplemente para el perfeccionamiento del mismo. El incremento de estos nodos en nuestro día a día conlleva un mayor interés por conseguir un mejor rendimiento y funcionamiento.

ConclusionesEstamos ante una “tecnología” bastante reciente:• Mucho diseño, poco funciona.• No existe la “killer application”• ¿Wireless? Sensor Networks -> el 99% de las redes de hoy son cableadas• No existe una tendencia clara:• En S.O.• En plataforma HW.• ¿Qué nos impide avanzar?• Diseño “verticalmente integrado” que impide sinergia entre diferentes grupos

de investigación.• Falta de estándares y protocolos comunes.• Limitación de los recursos: energía y capacidad de CPU, memoria.• En palabras de David Culler: the lack of an overall sensor network architecture• En un futuro:• Nanotecnología, MEMS, acabarán con la limitación de recursos como CPU o

memoria.• Persistirá la limitación de energía

FIN…Gracias por su

atención

Redes de Sensores Inalámbricos (WSN)

Estado del Arte y aplicaciones

Por: Francisco Javier Valenzuela Riquelme